Contexte

L’objectif global des demandes présentées dans le domaine ciblé de la fabrication de pointe est d’apporter des innovations et des améliorations aux procédés de fabrication et aux produits finis. L’axe de recherche global de toutes les demandes doit être d’accroitre la connaissance des interactions entre le comportement du matériel ou de la pièce, les machines et le rendement du produit final. Pour ce faire, les demandes doivent prévoir une combinaison d’activités de modélisation et d’expérimentation scientifiques, ce qui comprend l’intégration de modèles mathématiques des procédés, des matériaux, des produits et des machines dans toutes les opérations de fabrication. Les candidats sont invités à présenter des demandes dans les domaines du transport (comme l’automobile et l’aérospatiale) et des systèmes alimentaires.

Sujets de recherche

1. Automatisation (notamment la robotique)

L’objectif des travaux de recherche portant sur ce sujet est de concevoir des machines novatrices et leur utilisation efficace aux fins de l’amélioration de la qualité et de la productivité dans le secteur de la fabrication à l’aide de modèles numériques scientifiques validés expérimentalement.

Conception : Les projets qui s’inscrivent dans ce défi de recherche doivent être axés sur la conception et la modélisation numérique de machines intelligentes, modulaires, reconfigurables et multifonctionnelles qui peuvent facilement être adaptées aux produits de fabrication. Les domaines suivants sont particulièrement ciblés : élaboration et modélisation des assemblages cinématiques modulaires des machines à axes multiples, des robots et des appareils de manutention de matériel; élaboration et intégration de nouveaux capteurs, actionneurs, robots et appareils intelligents; modélisation de la dynamique multicorps et des vibrations des machines; modélisation de la commande par ordinateur des machines multifonctionnelles à axes multiples; modélisation numérique de l’interaction physique entre la structure de la machine, le contrôleur numérique et les procédés de fabrication.

Utilisation des machines : Les projets qui s’inscrivent dans ce défi de recherche doivent être axés sur l’élaboration de méthodes et d’instruments visant à améliorer la productivité, l’exactitude, le fonctionnement et la sécurité de la fabrication dans les domaines ciblés suivants : intégration d’appareils intelligents aux machines, aux robots et aux systèmes d’assemblage utilisés pour la fabrication; interaction personne-machine ou personne-robot dans le secteur de la fabrication; modélisation numérique de la physique des processus de fabrication aux fins de la planification prédictive des procédés; étalonnage en ligne et ajustement adaptatif des modèles numériques en fonction du retour sensoriel pendant la fabrication; surveillance par capteur et commande adaptative des procédés de fabrication; métrologie en ligne et hors ligne des pièces et des machines; fabrication écoénergétique; procédés de fabrication écologiques; élaboration de méthodes pour accroitre la sécurité dans un environnement de fabrication.

2. Matériaux légers et technologies connexes

Conception, assemblage et utilisation de produits légers : Les projets doivent être axés sur l’élaboration de structures de matériaux, de conceptions, de méthodes de fabrication et de matériaux novateurs, notamment les technologies de fabrication, qui sont requis pour créer des produits et des assemblages légers contenant de multiples matériaux dont le rendement est équivalent ou supérieur aux produits et assemblages actuels et dont l’efficacité énergétique est maximale tout au long de leur cycle de vie. Les projets qui portent sur l’élaboration des composants des produits ou les méthodes pour les systèmes seront pris en compte. Plus précisément, les projets doivent porter sur l’optimisation de la fabrication (matériel et machine) basée sur un cadre d’ingénierie des matériaux par modélisation intégrée qui établit des liens entre la structure, les procédés et les propriétés, afin d’accélérer et d’améliorer la future conception de produits et de procédés. Lorsqu’il est question de l’élaboration de produits et d’assemblages légers, il faut veiller à cerner les éventuels problèmes d’intégration et à formuler d’éventuelles stratégies d’atténuation.

3. Fabrication additive

Les projets qui s’inscrivent dans ce domaine doivent porter sur l’intégration de solutions novatrices issues de plus d’un des défis de recherche décrits.

Stabilité, surveillance et commande des procédés : Ce défi de recherche est axé sur l’élaboration de la prochaine génération des technologies de fabrication additive, l’intégration de la surveillance en cours de fabrication, les stratégies de détection et de commande en boucle fermée qui permettent l’amélioration simultanée de la vitesse de fabrication, la reproductibilité et l’uniformité des produits. Il comprend l’adaptation du matériel et des algorithmes à la dynamique du procédé qui se manifeste pendant la fabrication additive et la réaction des matériaux déposés.

Élaboration de matériaux sur mesure pour la fabrication additive : Ce défi de recherche est axé sur l’amélioration et l’élaboration de nouvelles catégories de matériaux destinés à la fabrication additive dont la reproduction peut être adaptée, ce qui offre de nouvelles possibilités en matière de fabrication additive et améliore la qualité et l’utilisation des dépôts (notamment la capacité en matière de recyclage et de réutilisation) et la réaction aux opérations qui suivent la transformation. Cela améliorera la durabilité des procédés ainsi que la qualité et le rendement des pièces.

Conception pour la fabrication additive : Ce défi de recherche est axé sur l’élaboration de méthodes de calcul et de conception intégrées qui relient les caractéristiques des procédés de fabrication additive, la fonctionnalité des pièces, la géométrie des composants et des caractéristiques, l’optimisation de la topologie et de la structure interne et les stratégies de tranchage adaptatif. Le but est d’exploiter pleinement le nouveau potentiel révolutionnaire de la fabrication additive.

4. Nanotechnologie

Conception et synthèse de nanomatériaux : Les projets doivent être axés sur la compréhension des propriétés structurelles et fonctionnelles et des caractéristiques d’autoassemblage qui permettent la synthèse de systèmes 3D hiérarchiques fonctionnels. Ils doivent démontrer les avantages des nanomatériaux et les effets de la dimensionnalité sur les propriétés des produits. Les nouveaux nanomatériaux d’intérêt en raison de leur abondance et de leur caractère écologique sont les suivants : les matériaux hybrides comme le graphène, les points quantiques, les oxydes métalliques et les nanocomposites polymères et leurs assemblages. La compréhension théorique, basée sur la modélisation scientifique, de la façon dont ces matériaux peuvent être conçus et intégrés aux produits fabriqués doit être décrite.

Variabilité d’échelle des procédés de synthèse et de dépôt-fabrication : Les projets qui s’inscrivent dans ce défi de recherche doivent être axés sur de nouvelles techniques de fabrication efficaces et durables pour la production de masse de nanomatériaux. Il faut démontrer les techniques de production de masse aux diverses échelles requises pour l’intégration des nanomatériaux aux procédés de fabrication ou aux produits à l’aide de processus descendants ou ascendants. L’utilisation de techniques de fabrication propres, comme celles qui ont recours à des matériaux abondants et écologiques et à des solvants écologiques ou qui ne nécessitent aucun solvant, est encouragée. Il faut assurer la reproductibilité du procédé de production et de la mise à l’échelle technique afin d’obtenir des nanomatériaux de grande qualité ainsi que traiter de la sécurité liée à la manutention et à l’utilisation. La modélisation du procédé et les principaux paramètres sont requis pour démontrer la variabilité d’échelle.

5. Matériaux quantiques

Variabilité d’échelle et fabrication du graphène ou de matériaux semblables : Les projets qui s’inscrivent dans ce domaine doivent porter sur la production de masse du graphène ou de matériaux semblables. Le graphène, un cristal atomique bidimensionnel, possède des propriétés physiques supérieures, notamment une résistance mécanique extrême, une conductivité électronique et thermique exceptionnellement élevée et une imperméabilité à tous les gaz. Le processus d’exfoliation mécanique du graphène en laboratoire est simple et peu couteux pour les petites feuilles de graphène; cependant, la production de masse d’un graphène (en petites et en grandes feuilles) ayant le même rendement exceptionnel que celui qui est créé en laboratoire représente un grand défi. La fabrication de plusieurs nouveaux matériaux bidimensionnels qui possèdent un grand nombre des propriétés du graphène est aussi importante pour de futures applications. Il s’agit notamment d’une seule couche de silicium (silicène), de germanium (germanène) et de phosphore noir (phosphorène) ou d’autres matériaux structurés de manière semblable.

Intégration du graphène ou de matériaux semblables aux appareils : Les projets doivent porter sur les applications éventuelles des petites et grandes feuilles de graphène (ou de matériaux similaires) et l’intégration aux futurs appareils. Par exemple, les petites feuilles de ces matériaux pourraient être utilisées dans les composites, les revêtements fonctionnels, les piles et les supercondensateurs. Les grandes feuilles de graphène pourraient être utilisées dans les écrans tactiles; les appareils photovoltaïques peu couteux; les produits électroniques et optoélectroniques souples et portables de la prochaine génération; les transistors haute fréquence; les photodétecteurs; les modulateurs optiques; les systèmes de production et de stockage d’énergie; les capteurs; et les bioapplications. Les couches de silicène et de germanène pourraient être directement intégrées aux procédés de l’industrie actuelle de l’électronique, lorsque les obstacles à la fabrication à grande échelle de ces matériaux auront été supprimés. Une seule couche de phosphore noir est prometteuse pour de nouvelles applications en nanoélectronique et en nanophotonique.

Contexte

Il y a une grande interdépendance entre l’agriculture et l’environnement. Nous avons besoin de services écosystémiques qui soutiennent les systèmes de production alimentaire agricoles et aquacoles, qui sont durables sur le plan environnemental et qui résistent aux chocs des changements climatiques et des catastrophes naturelles. Les contaminants qui se trouvent dans les ressources hydriques, les espèces envahissantes et les maladies ont des effets nuisibles sur les sources de nourriture terrestres et aquatiques.

Nous avons besoin, pour les systèmes de production alimentaire, de cadres méthodologiques qui incluent la modélisation et la surveillance holistiques des interactions biogéochimiques. La diversité des systèmes de culture et la préservation de la biodiversité sont essentielles à la résilience des systèmes de production alimentaire. La compréhension des interactions qui se produisent au sein des paysages agricoles permettra d’aménager et de gérer ceux-ci de façon à accroitre la capacité d’adaptation et de résilience des systèmes alimentaires.

Il est de plus en plus important d’évaluer et de gérer les risques et les possibilités que représentent les changements climatiques pour la production agricole. Les catastrophes naturelles imputables aux phénomènes météorologiques extrêmes entrainent de mauvaises récoltes, une incapacité à demeurer concurrentiel dans le marché agricole international et un déclin des conditions économiques des collectivités agricoles. Il faut mettre au point des mesures d’atténuation pour combattre ces effets désastreux sur la production alimentaire. Les progrès récents de la biotechnologie permettent d’améliorer les cultures agricoles et de s’adapter à un climat en évolution.

La gestion efficace des ressources et des écosystèmes aquatiques continue de présenter de nombreux défis, tant au Canada qu’ailleurs dans le monde. Ces défis sont notamment les suivants : protéger les sources d’eau; assurer la qualité, la quantité et la durabilité de l’alimentation en eau; veiller à la consommation efficiente de l’eau dans le cadre des activités anthropiques; et optimiser le traitement et la distribution de l’eau. Tous ces défis sont accentués par les couts élevés de l’énergie et les changements climatiques.

Sujets de recherche

1. Eau : santé, énergie, sécurité

Renforcer la durabilité des ressources hydriques en agriculture : Dans le contexte des changements climatiques, d’augmentation de la demande en eau et d’intensification de la production alimentaire, les plateformes intégrées de modélisation et de surveillance à l’aide de systèmes sont utiles à l’élaboration de stratégies visant à protéger et à conserver les ressources hydriques. Des travaux de recherche sont nécessaires pour surmonter une difficulté importante : intégrer des représentations réalistes de l’activité biogéochimique des milieux de transition (p. ex. la frange capillaire, les bandes riveraines, les zones hyporhéiques, les zones d’infiltration et d’alimentation et les réservoirs naturels et artificiels) à la prédiction du devenir et du transport du carbone, des nutriments et des contaminants comme les pesticides, les produits pharmaceutiques et les pathogènes issus de l’agriculture. Les travaux peuvent comprendre la modélisation, la validation sur le terrain et la surveillance des processus de transport réactif dans ces milieux de transition, ainsi que la simulation de leurs effets sur la qualité de l’eau à diverses échelles spatiales et temporelles.

Écosystèmes aquatiques : L’un des défis pour lesquels des travaux de recherche sont nécessaires est de définir la façon dont les changements climatiques, la modification de l’aménagement du territoire et les autres activités anthropiques touchent les services des écosystèmes aquatiques; le lien de dépendance entre les services des divers écosystèmes aquatiques et la santé de ces écosystèmes; les effets cumulatifs des divers facteurs de stress et des interactions entre ces facteurs sur la capacité des écosystèmes aquatiques à fournir des services.

Assurer la sureté des systèmes d’alimentation en eau des collectivités : Il faut disposer de technologies qui permettent la gestion des éléments (p. ex. l’énergie, la conservation, la réduction des déchets et l’utilisation efficiente des ressources en eau) associés au traitement, à la distribution, à la collecte et à l’évacuation de l’eau et des eaux usées. Il faut développer des technologies propres ou modifier les technologies existantes afin de traiter les contaminants nouveaux et anciens et les contaminants à l’état de trace; de traiter l’eau et les eaux usées; de dessaler et de réutiliser l’eau; d’assurer la réalimentation en eau; et de gérer les pertes d’eau, les eaux d’orage et les infiltrations. Dans le cas des collectivités nordiques, éloignées ou rurales, le principal défi réside dans le développement de technologies propres et adéquates pour la protection des écosystèmes aquatiques ainsi que la distribution et la gestion de l’eau.

2. Biotechnologie

La biotechnologie pour obtenir des plantes qui résistent aux changements climatiques :Les conditions environnementales découlant des changements climatiques nécessitent la mise au point de plantes capables de croitre dans des conditions de stress abiotique et de stress biotique qu’elles n’ont jamais rencontrées auparavant dans la région. Pour que le secteur agricole du Canada demeure concurrentiel, il faut améliorer les cultures à l’aide de la biotechnologie, y compris de stratégies faisant appel à la génomique, en vue d’obtenir des plantes résistantes aux changements climatiques. Au nombre des objectifs spécifiques, mentionnons la résistance au stress biotique et abiotique, l’amélioration de l’architecture de la plante pour en accroitre la productivité photosynthétique, ainsi qu’une meilleure utilisation de l’eau et des nutriments au moyen de la modification in planta ou de l’optimisation du microbiome du sol et de son interaction avec les racines de la plante. Tous ces travaux sont susceptibles de concourir à améliorer la qualité des semences ou à stabiliser ou accroitre le rendement dans des conditions climatiques changeantes.

3. Aquaculture

Réduire l’incidence des maladies en aquaculture : Les maladies des animaux aquatiques peuvent nuire considérablement à l’économie et causer des dommages écologiques aux ressources aquatiques. De meilleures pratiques de gestion sanitaire des mollusques et crustacés et des poissons d’élevage peuvent contribuer à réduire les conséquences défavorables pour les populations de poissons d’élevage et de poissons sauvages. Les travaux de recherche portant sur les nouvelles maladies, les mécanismes et modèles de transmission des maladies, la réaction physiologique aux maladies et la résistance à celles-ci et les effets des conditions environnementales changeantes sur la fréquence des maladies contribueront à rendre la pisciculture plus durable sur le plan environnemental et à augmenter la résilience de la production aquacole. Il est essentiel d’adopter des méthodes intégrées qui tiennent compte de l’interdépendance de l’aquaculture et de l’environnement pour atténuer les facteurs de risque liés à la fréquence des maladies, à leur propagation, aux liens entre les fermes piscicoles et aux interactions entre les ressources aquatiques sauvages et d’élevage.

4. Alimentation et systèmes alimentaires

Paysages agricoles durables : Il faut améliorer les pratiques agricoles pour accroitre la production alimentaire et renforcer les autres services écosystémiques. Ce défi exige la réalisation de travaux de recherche visant à élaborer des méthodes durables d’intensification de l’agriculture et, en particulier, à acquérir une meilleure compréhension de l’influence de l’aménagement du paysage sur les services écosystémiques comme la production agricole, la séquestration du carbone, la qualité du sol, la disponibilité et la qualité de l’eau, la biodiversité et la pollinisation. Ces travaux doivent être réalisés à l’échelle du paysage, mais peuvent aussi l’être à d’autres échelles et comprendre des expériences sur le terrain ou des modélisations.

5. Recherche sur les changements climatiques et technologie connexe

Adapter les systèmes de production agricole aux changements climatiques : Les changements climatiques comportent des risques et des possibilités pour l’agriculture canadienne. L’objectif des travaux de recherche doit être d’améliorer la connaissance des effets des changements climatiques, y compris des phénomènes extrêmes, des multiples facteurs de stress et de leurs interactions. Les études pourraient porter sur les effets sur le sol et les ressources hydriques, la productivité des cultures et de l’élevage du bétail, les ravageurs des cultures, les maladies et les mauvaises herbes. Les chercheurs sont invités à définir et à évaluer les options et les outils d’adaptation nouveaux ou existants qui permettent de gérer les risques et de saisir les possibilités liées aux conditions climatiques changeantes. L’exploration des synergies et des compromis entre les mesures d’adaptation aux changements climatiques et d’atténuation de ceux-ci serait un atout.

6. Atténuation des catastrophes

Atténuation des catastrophes liées aux conditions climatiques extrêmes : Les phénomènes climatiques extrêmes peuvent avoir des conséquences profondes sur la production agricole du Canada. Nous avons besoin d’une approche intégrée pour prédire les conditions climatiques extrêmes et de modèles biophysiques pour quantifier leurs effets sur l’agriculture canadienne. De plus, les travaux de recherche doivent prévoir des stratégies d’atténuation des catastrophes comme la protection contre la sècheresse, les mesures de lutte contre les inondations et les méthodes pour faire face aux températures et aux précipitations extrêmes.

Contexte

L’objectif global des demandes présentées dans le domaine ciblé des technologies de l’information et des communications (TIC) est de donner un pouvoir d’action aux personnes, aux organisations et à la société, et de protéger ces dernières, par l’exploitation des TIC à grande échelle. En effet, de nombreux défis de recherche dans le domaine des TIC visent à permettre aux gens de profiter des avantages qu’offrent les systèmes et les données à grande échelle et à assurer la protection de la vie privée et la sécurité des données. L’utilisation des données peut procurer aux gens la capacité d’améliorer leur santé, de réduire leur empreinte écologique, d’accroitre leur productivité personnelle et d’améliorer leurs interactions sociales. Les organisations privées et publiques peuvent avoir recours à l’analytique pour améliorer leur connaissance du contexte et ainsi prendre de meilleures décisions. Les TIC innovantes aident les sociétés à créer des économies prospères tout en minimisant les effets sur l’environnement. L’information est au cœur de ces possibilités; cependant, elle doit être protégée et échangée de façon responsable et sécuritaire pour que la société puisse en tirer les avantages prévus.

Les systèmes et les données à grande échelle font en sorte qu’il faut composer avec la vitesse et le volume grandissants des données, avec la validité et la véracité de ces dernières ainsi qu’avec la diversité et la complexité des réseaux et des systèmes. Dans le domaine des TIC, six sujets de recherche ont été définis pour appuyer cet axe commun. Il faut réaliser des travaux de recherche transformateurs sur les réseaux et les services de communication pour répondre aux besoins futurs en matière de bande passante, d’énergie et de services. L’Internet des objets (IdO) permettra d’avoir une connaissance détaillée et sans précédent de l’environnement, mais nécessitera de surmonter des défis liés aux communications et à la fusion des données. Les techniques avancées de gestion et d’analyse des données permettront aux gens et aux organismes de prendre de meilleures décisions sur les questions sociales et économiques cruciales. La cybersécurité est nécessaire pour protéger la confidentialité, l’intégrité et la disponibilité des données et des systèmes qui servent à leur transmission. Le fait de repenser l’interaction entre les humains et les médias numériques permettra d’améliorer l’utilité de l’accès à une énorme quantité d’information. L’informatique quantique est la prochaine frontière des TIC, car elle permettra d’accroitre de plusieurs ordres de grandeur la sensibilité des capteurs et la puissance de calcul.

L’investissement stratégique dans les TIC permettra aux chercheurs canadiens de demeurer à l’avant-garde de l’innovation, ce qui génèrera des possibilités économiques pour les entreprises canadiennes et des avantages pour les Canadiens sur le plan social. Les travaux dans ce domaine de recherche ciblé doivent porter précisément sur l’un des défis de recherche indiqués dans la section suivante. Pour qu’une demande soit admissible à recevoir du financement, elle doit démontrer qu’elle sera avantageuse pour les organismes d‘appui.

Sujets de recherche

1. Réseaux et services de communication

Travaux de recherche transformateurs sur les réseaux définis par logiciel (SDN) : Les futurs réseaux de communication doivent être adaptables, souples, surs et rentables afin d’offrir une gamme de services et d’applications de communication de bout en bout qui satisfont aux besoins en matière de mégadonnées, d’infonuagique, de mobilité et d’IdO.

Les réseaux définis par logiciel, ou réseaux SDN, s’étendront au moyen de commandes et de gestion adaptative et traiteront les demandes et ressources en évolution de manière à assurer l’utilisation efficace et durable des ressources et de l’énergie. La coordination des services reposant sur l’infonuagique et les ressources virtualisées supportera un environnement d’applications dynamique. Les architectures et les méthodes seront mises à l’échelle au moyen d’une connectivité de bout en bout qui englobera les réseaux hétérogènes, y compris les segments avec ou sans fil. Elles offriront une qualité d’expérience et des applications en temps réel sollicitant une grande bande passante et tolèreront une déconnexion temporaire. Les réseaux sans fil seront mis à l’échelle en exploitant un spectre dynamique, ce qui permettra d’offrir une bande passante élargie de façon fiable et écoénergétique tout en tirant parti de futures radiofréquences et ondes millimétriques. Les réseaux radiophoniques hétérogènes seront interopérables de manière à prendre en charge les services reposant sur l’IdO et les réseaux 5G et à remplacer l’accès avec fil actuel, ainsi que les nouveaux réseaux satellitaires et aéroportés. Les réseaux filaires seront transformés par les composants du réseau défini par logiciel (commutateurs, routeurs, appareils) et les fonctions du réseau virtualisées qui exploiteront les technologies photoniques et électroniques adaptables.

2. Internet des objets et systèmes machine-machine

Mise à l’échelle de l’infrastructure de l’Internet des objets : L’IdO de la prochaine génération pourrait changer la vie des gens et le fonctionnement des systèmes dans un monde où les sources de données sont nombreuses et disparates et offrir des possibilités de connectivité à différentes échelles. Il doit inclure des communications avancées avec une vaste gamme de dispositifs activés par logiciel peu couteux et consommant peu d’énergie. Il doit pouvoir s’adapter aux éléments stationnaires, autonomes et portables grâce à de solides possibilités d’autoreconfiguration.

Intégration, analyse et utilisation des données des capteurs : Les systèmes d’IdO de la prochaine génération doivent fonctionner en temps réel ou quasi réel dans un contexte où la diversité et la quantité des données sont énormes. Il faut mettre en place des architectures et des normes en matière d’information qui rendent possible la fusion fiable de données nombreuses et disparates provenant de capteurs. Les systèmes ainsi obtenus doivent permettre l’extraction et le rendu efficaces de l’information pertinente de manière à ce que les utilisateurs et les systèmes puissent prendre des décisions et des mesures appropriées en temps opportun, tout en appliquant les exigences pour l’authentification et la vérification des données.

3. Gestion des données et analytique avancées

Gestion, extraction et analytique des données à grande échelle : Le volume, la vitesse, la variété et la véracité des données exigent de nouvelles méthodes de gestion. Il faut élaborer des méthodes d’analyse permettant entre autres de prédire, d’optimiser et d’assurer l’anonymat à grande échelle, en temps réel ou quasi réel afin d’extraire de l’information utile des données. L’information doit être extraite d’un éventail de sources de données, par exemple les données numériques, textuelles, visuelles, audio et vidéo, ainsi que les données provenant des interactions sociales et les données personnelles.

Analytique aux fins de décision : Il faut analyser les données à grande échelle pour que les gens, les applications, les machines et les systèmes puissent prendre des décisions. Il faut notamment des visualisations interactives, des systèmes d’interrogation et d’autres moyens d’analyse qui permettront aux participants (humains ou logiciels) du processus décisionnel de dialoguer avec les données et les logiciels d’analytique et de prendre des décisions justes et efficaces.

4. Cybersécurité

Authentification et autorisation sécurisées à grande échelle : Les nouvelles méthodes améliorées d’authentification de l’identité des personnes, des capteurs, des processus et des systèmes, et d’autorisation de l’accès aux services et à l’information permettront d’atténuer une faiblesse fondamentale qui est exploitée dans de nombreuses cyberattaques. Il faut disposer d’interfaces et de protocoles de sécurité utilisables, efficaces et adaptables. Compte tenu du volume grandissant de données, les progrès dans ce domaine contribueront à assurer la sécurité et la confidentialité des données.

Méthodes quantitatives pour la cybersécurité : Les méthodes quantitatives pour la cybersécurité faciliteront l’application de l’analytique et des autres méthodes basées sur des indicateurs à la protection de l’information et des systèmes. L’élaboration d’ontologies, de modèles comportementaux et mathématiques, de méthodes d’analyse, d’indicateurs, de patrons, de cas d’utilisation et d’ensembles de données améliorera la connaissance, la détection et la prévention des cybermenaces actuelles et futures, comme celles qui sont liées à l’apparition de l’informatique personnelle, de l’IdO et de l’informatique quantique.

Systèmes de détection des menaces évoluées et de défense : Voici des exemples de menaces évoluées qu’il est difficile de détecter et contre lesquelles il est difficile de se défendre dans un réseau de participants et de cibles de plus en plus complexe : les cibles mobiles et polymorphes qui varient au fil du temps, les attaques « faibles et lentes », ainsi que les attaques ciblées qui ne peuvent pas être détectées au moyen de simples systèmes d’alerte. Les systèmes de détection des menaces évoluées et de défense nécessiteront une coordination et l’établissement de rapports entre les différents points dans le temps et les sources de données et tireront parti de l’analytique et d’autres méthodes telles que la défense polymorphe.

5. Interaction entre les humains et les médias numériques

Conception d’interactions sans effort : Les interactions doivent être invisibles et engageantes. Elles doivent indiquer de façon transparente la qualité des données. Invisibilité : Les capteurs et les renseignements qui font disparaitre l’interface peuvent régler les défis de portabilité, de réduction de la charge mentale et de rétroaction exploitable. Mobilisation : La ludification peut par exemple soutenir la motivation à relever des défis liés à la santé, aux pratiques durables et à la sécurité centrée sur les personnes. Transparence de la qualité des données : En raison des données bruitées, l’affichage de l’information doit présenter l’incertitude des données à un niveau acceptable sur le plan cognitif. Voici des exemples d’applications : nouvelles techniques d’interaction; interactions pour les groupes, les lieux et les contextes spéciaux; collecte et collationnement des données personnelles aux fins d’utilisation personnelle; vie dans les espaces d’information; et réalité amplifiée et environnements virtuels.

Outils efficaces pour créer et garnir les objets et les espaces matériels et virtuels : Les concepteurs, tant amateurs que professionnels, ont besoin d’outils logiciels qui appuient la culture du « faire » et du « faire soi-même », qui facilitent une transition harmonieuse entre les mondes et les objets matériels et virtuels et qui exploitent la modélisation et l’animation interactives. Les outils de conception doivent appuyer les pratiques courantes, qui comprennent notamment l’échange et la collaboration, la création itérative de prototypes et les étapes de la création, du peaufinage et du déploiement. Les individus et les groupes ont besoin d’outils qui nécessitent peu de formation pour personnaliser les interfaces en fonction d’utilisations précises, des caractéristiques démographiques, du contexte et des préférences individuelles. Les individus ont besoin d’outils qui leur permettent d’utiliser leurs propres méthodes de gestion de l’information. Les concepteurs aux expertises diverses ont besoin d’outils pour créer des environnements virtuels et amplifiés et construire des espaces sociaux informationnels.

6. Informatique quantique

Exploitation des dispositifs quantiques : Le défi consiste à exploiter le génie quantique pour améliorer le rendement et l’efficacité de dispositifs utiles. Plus particulièrement, il consiste à développer des dispositifs et des applications quantiques reposant sur l’utilisation d’un grand nombre de qubits, l’intrication et les algorithmes quantiques pour les capteurs, les actuateurs et les systèmes de communication qui seront plus performants que leurs équivalents classiques. Il s’agit par exemple du déploiement et de l’amélioration des outils de navigation; des capteurs quantiques pour la chimie, les champs magnétiques, le transport des électrons et la détection des photons; des actuateurs quantiques pour l’interconversion de l’information (spin, charge, photon, phonon); et les communications quantiques pour la sécurité de l’information basée sur la physique. Le défi est de développer des dispositifs et des applications qui, une fois déployés, auront des retombées à court terme dans des domaines tels que la médecine, la surveillance de l’environnement, la caractérisation des matériaux, la caractérisation chimique, la sécurité, la nanofabrication améliorée et la métrologie.

Processeurs quantiques à usage spécial : L’ordinateur quantique est le dispositif quantique suprême aux vastes applications, lesquelles vont de la capacité de violer les protocoles de sécurité classiques à l’apprentissage machine. Le défi consiste à concevoir des ordinateurs quantiques à usage spécial et, en particulier, à créer un processeur de 100 qubits qui fonctionne bien. Il pourrait s’agir par exemple d’un processeur optimisé pour l’exécution de simulations quantiques de matériaux et d’un processeur optimisé pour la vérification de l’efficacité des méthodes de correction d’erreurs quantiques. Ces deux composants de base sont essentiels au développement de processeurs quantiques encore plus complexes et performants. En plus des nouveaux dispositifs matériels, le défi comprend l’élaboration de nouveaux algorithmes pour l’informatique quantique et plus particulièrement les processeurs bruyants et de petite taille.

Contexte

Le Canada bénéficie d’importantes ressources naturelles. Au nombre de ces ressources, soulignons les ressources renouvelables provenant de la foresterie, des pêches et de l’agriculture; les gisements de minéraux de classe mondiale; et les immenses réserves de pétrole et de gaz, y compris les ressources de réservoirs étanches à croissance rapide provenant principalement des formations à faible perméabilité. Dans le contexte des changements climatiques rapides et de l’économie mondiale hautement concurrentielle, il faut relever des défis de taille pour assurer le développement responsable et l’intendance de ces ressources. C’est dans l’Arctique canadien que ces besoins sont les plus criants, car ils sont exacerbés par l’éloignement, l’hypersensibilité des écosystèmes et les exigences extraordinaires des travaux d’ingénierie dues aux conditions opérationnelles difficiles. La recherche fondamentale dans les universités, en partenariat avec l’industrie et le gouvernement, jouera un rôle clé pour permettre au Canada de relever les défis liés aux ressources naturelles et à l’énergie.

Il faut lancer de nouveaux travaux de recherche et de nouvelles technologies pour libérer l’énorme potentiel économique que recèle le Canada en matière de bioénergie et de bioproduits. Toutefois, les vastes distances et la faible régénération de la biomasse présentent des défis technologiques distincts. Par ailleurs, il est possible de saisir des possibilités exceptionnelles en tirant profit des synergies de recherche entre les secteurs des mines et de l’énergie. Dans le cas des ressources de réservoirs étanches, les technologies comme la fracturation hydraulique ont radicalement modifié le paysage énergétique, mais il subsiste des problèmes scientifiques, environnementaux, économiques et sociaux urgents. Dans le cas de l’exploitation minière, la récupération et la gestion efficace des déchets et de l’eau sont d’une importance capitale pour le développement durable. Grâce à l’intégration des connaissances traditionnelles et à la mise en place de solutions environnementales efficaces en matière de développement des ressources, le Canada s’apprête à jouer un rôle de chef de file à l’échelle internationale, notamment parmi les nations de l’Arctique.

Il y a un besoin pour la recherche transformative axée sur le développement responsable des principales ressources naturelles et technologies de l’énergie. Parmi les responsabilités en matière de développement, notons l’approche équilibrée, qui tient compte de l’acceptation sociale, des problèmes environnementaux comme les changements climatiques, les effets cumulatifs et l’utilisation de l’eau, et des facteurs économiques comme l’évaluation et la gestion des ressources et les éléments clés de la chaine de l’innovation. Les défis stratégiques de la recherche au Canada, qui sont énoncés ci-dessous, sont liés par cet axe commun.

Sujets de recherche

1. Bioénergie et bioproduits

Des bioproduits innovateurs pour se tailler une place dans l’économie mondiale : Le Canada dispose de bioressources importantes provenant des forêts, des résidus agricoles et des flux des déchets organiques. Il y a un besoin urgent de bioproduits moins chers et plus performants qui soient à la fois écologiques et concurrentiels sur le plan économique. Le défi de recherche consiste à réduire les couts de façon notable, à améliorer la fonction et à accroitre les propriétés et le rendement, et ce, en incorporant des fibres et des produits chimiques aux produits ou en substituant les matériaux existants; en produisant du glucose et du xylose à partir de matières cellulosiques et en les séparant de ces matières; en produisant de la résine phénolique et du carbone à partir de la lignine et en les séparant de cette lignine, et en incorporant les matières provenant de la biomasse aux matrices hydrophobes. En relevant ces défis, il sera possible d’accélérer le développement de ces secteurs essentiels à l’économie canadienne en tirant profit des ressources uniques de notre pays pour créer un avantage concurrentiel.

Solutions fiables en matière de bioénergie pour le contexte canadien : La vaste superficie du Canada et son climat froid comportent à la fois des difficultés et des occasions pour le développement de biocombustibles provenant du Canada dont les prix seraient concurrentiels et l’incidence environnementale faible. Les biocombustibles sont non seulement nécessaires aux moteurs à combustion actuels, mais les biocombustibles spécialisés s’utilisent également dans le domaine de l’aviation. Pour les collectivités éloignées, des processus durables doivent être établis pour produire de la bioénergie à partir de biomasse d’origine locale. Le défi de recherche consiste à développer de nouveaux processus et produits pour ces applications qui ne sont pas nuisibles à l'environnement, notamment en réduisant les émissions de gaz à effet de serre (GES) pendant le cycle de vie.

2. Méthodes durables d’accès aux ressources minérales et aux ressources énergétiques de réservoirs étanches (à l’exclusion des sables bitumineux)

Réduire l’incidence environnementale de l’extraction : L’extraction des minéraux et des ressources de réservoirs étanches a des incidences sur l’environnement. L’amélioration de la performance environnementale axée sur la gestion de l’eau, les GES et les répercussions sur les terres réduira les effets cumulatifs, accroitra l’acceptation sociale et permettra de réaliser des avantages économiques. Au nombre des défis de recherche liés à la gestion de l’eau figurent les technologies de traitement, les méthodes pour réduire l’utilisation de l’eau, la contamination de l’eau et la compréhension des systèmes d’approvisionnement et d’élimination de l’eau intégrés à l’échelle régionale. La recherche, les technologies et les méthodes de détection pour réduire les GES peuvent porter sur les émissions fugitives, la purge des tubages de puits et les émissions provenant des pipelines et des véhicules. Parmi les travaux qui doivent être menés pour réduire les répercussions sur les terres, notons l’analyse des géorisques, comme la sismicité induite et la défaillance des aires de stockage, la gestion et la récupération des déchets miniers, l’accent étant mis sur la biodiversité et l’adaptation climatique.

Améliorer la caractérisation des ressources et l’efficience du processus d’extraction : Il faut optimiser les méthodes d’extraction des ressources pour accroitre l’efficience, réduire l’empreinte environnementale et maximiser le rétablissement. Des recherches s’imposent pour caractériser les ressources minérales et les ressources de réservoirs étanches, en mettant l’accent sur la cartographie, la modélisation et l’imagerie; et pour développer des technologies afin de quantifier les propriétés des roches, y compris le comportement de la fracturation hydraulique. D’autres domaines de recherche consistent à quantifier les interactions entre les roches et les fluides (liquide et gaz) liées à la fracturation hydraulique, à comprendre la dynamique des fluides durant et après l’extraction, à améliorer la technologie et les matériaux de soutènement et à éliminer les minéraux indésirables des produits minéraux. Les approches intégratives de l’extraction des ressources seront essentielles à la réduction des couts et des impacts environnementaux.

3. Arctique : exploitation et surveillance responsables

Technologies durables pour le développement des ressources dans l’Arctique :L’Arctique canadien regorge de ressources, mais ces dernières se trouvent dans des milieux très fragiles. La région devenant de plus en plus accessible en raison des changements climatiques, un développement accru des ressources est prévu. Il faut réaliser des travaux de recherche pour développer et adapter des technologies durables pour les systèmes de transport, ainsi que d’autres infrastructures. Il faut procéder à d’autres travaux sur l’interaction entre l’infrastructure et la dégradation accélérée du pergélisol attribuable aux changements climatiques. De plus, il importe de poursuivre la recherche pour créer des solutions énergétiques rentables en vue du développement de l’Arctique, notamment les sources d’énergie renouvelables.

Comprendre les répercussions environnementales du développement dans l’Arctique : Compte tenu du développement accru dans l’Arctique, il importe de mieux comprendre les défis environnementaux et les solutions connexes. La recherche doit se poursuivre notamment pour comprendre les sensibilités aux facteurs environnementaux et y faire face, et ce, au niveau du paysage et des sites afin de réduire les répercussions sur les écosystèmes attribuables au transport maritime, à l’exploitation minière et aux activités pétrolières et gazières. En outre, des travaux sur les effets cumulatifs du développement des ressources s’imposent pour s’assurer que les répercussions sur l'écosystème demeurent inférieures aux seuils environnementaux. Les méthodes visant à intégrer les connaissances traditionnelles revêtent une importance particulière, de même que les approches permettant de mieux comprendre l’évolution des références écologiques attribuable aux changements climatiques.

4. Connaitre les sources d’approvisionnement et améliorer le rendement en matière d’environnement dans l’exploitation de ressources naturelles clés

Secteur des forêts : Des travaux de recherche sont nécessaires en vue d’améliorer l’exactitude et la précision des inventaires forestiers, de réduire les couts et d’accélérer l’acquisition des données; d’établir un lien entre les connaissances en écologie et la technologie de télédétection pour prédire et quantifier les caractéristiques de la fibre des arbres à l’échelle du peuplement forestier; de mettre au point des méthodes de régénération des forêts qui permettent de conserver et de favoriser la biodiversité naturelle tout en maximisant la productivité des peuplements forestiers; et d’élaborer des stratégies de cartographie et d’amélioration génétiques pour les peuplements forestiers naturels ainsi que des stratégies de gestion des clones dans les plantations à croissance rapide pour comprendre les caractéristiques physiques et chimiques de la fibre et la régénération des peuplements forestiers. Des travaux sont également nécessaires pour déterminer l’incidence du changement climatique sur la diversité forestière; élaborer de nouvelles méthodes pour mesurer le risque et l’incertitude en matière d’environnement, compte tenu de la complexité grandissante de l’aménagement forestier; et mettre au point des outils et des technologies pour mesurer les couts et les avantages environnementaux de diverses stratégies d’aménagement du territoire dans l’optique de leur effet sur la diversité forestière.

Secteur des pêches : Des travaux de recherche sont nécessaires pour déterminer les souches, les variétés et les populations qui sont particulièrement susceptibles de résister aux facteurs de stress actuels et futurs du milieu et dont la diversité génétique pourrait contribuer au développement et à l’amélioration de l’aquaculture et des pêches; et déterminer les principaux facteurs environnementaux qui contribuent au maintien et à l’amélioration des pêches et au rétablissement de pêches de grande valeur; et mettre au point des méthodes et des technologies efficaces pour faciliter la télécartographie de zones aquatiques, de types d’habitats aquatiques, d’habitats favorables aux pêches et de la diversité des espèces. L’optimisation de cette ressource importante passe par des travaux de recherche sur l’exploitation de nouvelles pêcheries potentielles pour maximiser la productivité et assurer la durabilité de la ressource; et le développement de nouveaux outils de mise en valeur et de gestion des stocks et l’amélioration des outils existants, en ayant recours à la génomique et aux pratiques exemplaires pour améliorer les stratégies de protection de la biodiversité et de repeuplement. Les conséquences du changement climatique et des ravageurs pourraient faire l’objet de travaux sur les stratégies d’atténuation des effets environnementaux et les méthodes pour contrer les principaux risques auxquels sont exposées les pêches et l’aquaculture.

Secteur des minéraux : Des travaux de recherche sont nécessaires en vue de découvrir des gisements de minéraux d’importance stratégique et d’assurer un approvisionnement en matériaux qui serviront à fabriquer la prochaine génération de produits écoénergétiques; de définir les possibilités de créer des lignes de produits primaires au moyen d’une systématique des minéraux qui est mal connue ou sous-représentée; de comprendre le contexte tectonique et le milieu tectonique régional des gisements de minéraux qui constitueront des moteurs de l’exploration minérale; d’élaborer des méthodes d’exploration de gisements minéraux éloignés, inconnus et profonds; et de transformer les données géoscientifiques en connaissances aux fins de l’exploration minérale. Les activités d’exploration, d’extraction, de transformation et de gestion des ressources naturelles doivent se faire en tenant compte de la transformation de l’environnement qu’elles impliquent et des effets qu’elles ont sur celui-ci. Des travaux de recherche sont donc nécessaires afin de mettre au point des outils analytiques pour déterminer les types de gisements minéraux dont l’exploitation peut avoir des effets défavorables sur l’environnement; et d’évaluer et de réduire les effets environnementaux des activités d’exploration, d’extraction et de transformation des minéraux, ainsi que ceux des mines et des installations minières déclassées qui sont fermées.