« Tout art est une imitation de la nature » nous dit Sénèque. La nature, à travers ses 4 milliards d’années d’évolution, a permis des évolutions phénoménales. Nous n’en connaissons encore aujourd’hui qu’une infime partie. La bio-inspiration est le domaine où les chercheurs travaillent sur la compréhension de la nature pour l’appliquer aux technologies. Je vous emmène découvrir la robotique bio-inspirée.

La bio-inspiration

Loin du biomimétisme, la  bio-inspiration est la compréhension et l’utilisation des ‘astuces’ que la nature a développé pour résoudre ses ‘problèmes’. L’un des précurseurs de la bio-inspiration – bien avant l’apparition même de la robotique – est Léonard de Vinci et ses plans de machines volantes. Plus récemment, dans les années 40, un pas important a été formalisé avec la création du courant dit de la cybernétique. « La cybernétique (en anglais cybernetics) est la science des mécanismes autogouvernés et du contrôle, elle met essentiellement en relation les principes qui régissent les êtres vivants et les machines dites évoluées. » [wikipédia].

machines volantes de leonard de Vinci
Machine volante de Léonard de Vinci

Ce mouvement aura un impact considérable notamment dans l’informatique, l’intelligence artificielle et la robotique. Nous citerons à titre d’exemple le principe de la rétroaction, base du fonctionnement des êtres vivants et des robots. La rétroaction consiste en le retour d’information d’une action qui permet d’ajuster cette action. Cela permet de la réguler. Ce principe s’applique aux êtres vivants. Ainsi, lorsqu’une personne désire saisir un verre, elle corrige la trajectoire de sa main avec le retour visuel tout le long du déplacement de son bras. Le principe de la rétroaction se retrouve aussi chez les robots. Un robot capte un obstacle et tourne pour l’éviter. Tant que l’information de l’obstacle est présente, il tourne et reprend progressivement sa trajectoire rectiligne.

Aujourd’hui, de nombreux laboratoires travaillent sur la bio-inspiration. Il développent des matériaux en s’inspirant par exemple de la peau du requin pour inventer des tenues de plongée plus performantes. Ils mettent au point des technologies en s’inspirant des crochets de la Bardane pour créer le velcro. En médecine, des protéines découvertes chez les poissons pourraient être utilisées pour préserver des tissus lors de transplantations. Vous imaginez bien que la robotique n’est pas restée en reste.

La méthode bio-inspirée

Cette méthode se déroule en 3 phases:

  • Observation. Avant toute chose, il faut observer et étudier la nature. Cette observation s’effectue en collaboration avec des biologistes. Lorsqu’un phénomène, une ‘astuce’ de la nature est observée, vient ensuite l’étape de la compréhension.
  • Modélisation. L’observation ayant eu lieu, l’objectif est maintenant de mathématiser ce qui a été observé. Il ne suffit pas de copier, il faut comprendre. Il s’agit là du point essentiel pour permettre d’exploiter le phénomène observé.
  • Implémentation. L’étape de la compréhension étant parfaitement réalisée, il devient alors possible d’implémenter l’observation première sur des dispositifs artificiels.

La bio-inspiration permet de travailler sur les différents domaines qui gravitent autour de la robotique : l’intelligence artificielle, la locomotion, la vision, etc. Je vous emmène découvrir l’intelligence incarnée.

Intelligence incarnée

Aujourd’hui, certains chercheurs se focalisent sur l’intelligence incarnée. Son principe de base est : le robot réalise des déplacements grâce à l’interaction avec son environnement sans réaliser de calcul. Il s’agit là d’une véritable optimisation de l’animal, et à terme du robot, qui affiche une grande efficacité. L’intelligence incarnée est un domaine où les animaux sont particulièrement efficients.

Le VelociRoACH est un robot hexapode – à 6 pattes – inspiré du cafard. Les pattes, à l’image de celles de cet insecte, ont un effet ressort. Son déplacement est en tripode inversé, c’est-à-dire qu’il a toujours au sol 2 pattes d’un côté et une de l’autre. Il est donc toujours en équilibre et n’a pas besoin de réguler sa marche. Pas besoin de capteur, pas besoin de calcul. Pas de notion de temps réel. Résultat, en 1 seconde, il arrive à parcourir 2,7 mètres soit 26 fois sa taille. Cela en fait le robot le plus rapide du monde proportionnellement à sa taille.

X2-VelociRoach
Velociroach, capable de parcourir 27 fois sa longueur en 1 seconde

«Le terme intelligence (utilisé dans intelligence incarnée) est parfois excessif», note Franck Ruffier de l’Institut des sciences et du mouvement (ISM) de l’université Aix-Marseille et chercheur au CNRS. Avec son collègue Stéphane Viollet, à la tête de l’équipe biorobotique de l’ISM, ils préfèrent parler de«comportements réflexes» pour leurs robots.

Intelligence Artificielle

La bio-inspiration permet d’avancer dans le domaine de l’intelligence artificielle. Elle amène à la création  de nombreux champs de recherche comme les réseaux neuronaux – inspirés du cerveau – ou les systèmes multi-agents – inspirés des colonies d’insectes.

En ce qui concerne le cerveau, nombreux sont les laboratoires qui travaillent la modélisation de partie d’animaux.

robot rat Psiharpax
Le robot rat Psiharpax

Jean Arcady Meyer et Agnès Guillot ont ainsi mené des recherches pendant des années sur le robot-rat Psiharpax. Ils essaient de le rendre aussi adaptatif que son modèle naturel. Le rat est un des animaux les plus étudiés au monde et son système nerveux est un des plus connus. Jean-Arcady Meyer a organisé des conférences internationales sur ce sujet et j’avoue… j’en parle juste pour mettre les affiches que je trouve géniales :).

From animals to animat

Froma animals to animat

Revenons à nos moutons… enfin à nos différents animaux!

Les insectes sociaux comme les fourmis, les termites ou les abeilles sont aussi de grandes sources d’idées. En effet, à partir de comportements simples et individuels, ces insectes font émerger des comportements complexes. « Le tout est supérieur à la somme des parties« . Ces système multi-agents permettent de résoudre régulièrement des problèmes, en particulier ceux liés à l optimisation de parcours.

La vision et la reconnaissance des formes sont aussi des applications qui utilisent la bio-inspiration. La vision apporte un grand nombre d’informations. Les animaux sont capables de la traiter rapidement et efficacement. La compréhension de ces organes permet de plus en plus de filtrer, catégoriser et traiter le flux arrivant et de prendre des décisions.

Des chercheurs en biorobotique de l’institut des sciences du Mouvement – Etienne-Jules Marey (CNRS/Aix-Marseille université) – ont ainsi créé un petit drone BeeRotor, capable de suivre un terrain accidenté en s’inspirant des insectes volants. Il ne possède pas d’accéléromètre, mais au contraire il corrige son vol en fonction du flux optique qui lui arrive sur 24 photodiodes.

La bio-inspiration est un véritable vivier d’idées. Elle permet de délier des points de blocage. Chaque jour, des espèces disparaissent et nous privent des solutions qu’elles auraient pu nous apporter. La bio-inspiration nous permet de mieux comprendre la richesse et la beauté de la nature. Elle met l’accent sur toute l’aide que représentent cette étude et cette observation. La nature évolue et survit depuis plus de 4 milliards d’années d’évolution. A nous à nous inspirer de ses trouvailles et à cohabiter en toute harmonie.

Complément de lecture :
Un article que j’ai écrit pour humanoides.fr : La bio-inspiration, des robots si bêtes.
Un excellent article d’Olivier Dessibourg : Etudier les robots pour percer les secrets de la locomotion animale

 

Fondateur de VieArtificielle.com et Robopolis.com, ingénieur UTC : Je m’intéresse aux robots autonomes par le prisme des sciences cognitives (les différentes « intelligences » présentes dans le robot), l’apprentissage, les comportements émergents) .