Cet article a été rédigé par Neil Savage et publié à l'origine dans Nature
L'inspiration peut venir de n'importe où. Pour Radhika Nagpal, elle est venue de sa lune de miel.
Mme Nagpal faisait de la plongée avec masque et tuba aux Bahamas lorsqu'elle a été approchée par un banc de poissons rayés colorés, qui se déplaçaient comme un seul homme. "Ils viennent droit sur vous, vous examinent, puis s'éloignent", raconte Nagpal, aujourd'hui ingénieur en mécanique à l'université de Princeton, dans le New Jersey. Je me suis dit : "Wow, c'est un comportement collectif que je n'avais jamais vu"": Robotique et intelligence artificielle
Son esprit est revenu à ces curieux poissons des années plus tard, alors qu'elle réfléchissait à la manière de construire des essaims de robots capables de coordonner leur comportement dans des environnements difficiles. Le résultat est un banc de poissons robotisés - appelés Bluebots - capables de coordonner leur activité avec celle de leurs congénères.1.
L'école de Nagpal est petite, elle ne compte que dix poissons aux capacités limitées. Les poissons sont équipés de LED bleues afin que leurs camarades puissent les repérer sous l'eau. Des règles simples dans leur programmation, comme nager vers la gauche lorsqu'ils voient un autre Bluebot, leur permettent de synchroniser leurs mouvements. M. Nagpal espère toutefois pouvoir créer à terme des collectifs plus vastes aux comportements plus complexes.
Ces écoles robotisées pourraient être chargées de localiser et d'enregistrer des données sur les récifs coralliens afin d'aider les chercheurs à étudier la santé des récifs au fil du temps. Tout comme les poissons vivants d'un banc peuvent adopter simultanément différents comportements - certains s'accouplent, d'autres s'occupent de leurs petits, d'autres encore cherchent de la nourriture - mais se déplacent soudain comme un seul homme à l'approche d'un prédateur, les robots-poissons devraient accomplir des tâches individuelles tout en communiquant entre eux lorsqu'il est temps de faire quelque chose de différent.
"La majeure partie des travaux de mon laboratoire porte sur les techniques de coordination : quels types d'algorithmes ont évolué dans la nature pour permettre aux systèmes de bien fonctionner ensemble ?
De nombreux roboticiens s'inspirent de la biologie pour concevoir des robots, en particulier dans le domaine de la locomotion. Bien que les gros robots industriels des usines de véhicules, par exemple, restent ancrés sur place, d'autres robots seront plus utiles s'ils peuvent se déplacer dans le monde, effectuer différentes tâches et coordonner leur comportement.
Certains robots peuvent déjà se déplacer sur des roues, mais les robots à roues ne peuvent pas monter les escaliers et sont gênés par les terrains accidentés ou mouvants, tels que le sable ou le gravier. En empruntant des stratégies de mouvement à la nature - marcher, ramper, nager, se glisser, voler ou sauter - les robots pourraient acquérir de nouvelles fonctionnalités. Ils pourraient effectuer des opérations de recherche et de sauvetage après un tremblement de terre, ou explorer des grottes trop petites ou instables pour que des personnes s'y aventurent. Ils pourraient effectuer des inspections sous-marines de navires et de ponts. Enfin, les véhicules aériens sans pilote (UAV) pourraient voler plus efficacement et mieux gérer les turbulences.
"L'idée de base est de s'inspirer de la nature pour voir comment les choses peuvent être faites différemment, comment nous pouvons améliorer nos systèmes automatisés", explique Michael Tolley, ingénieur en mécanique qui dirige le Bioinspired Robotics and Design Lab à l'université de Californie à San Diego.
Voir Spot run
La stratégie la plus évidente en matière de mouvement robotique est sans doute la marche, et il existe des robots à jambes. Spot, une machine basse à quatre pattes qui ressemble à un chien jaune sans tête, peut monter des côtes et emprunter des escaliers. Son concepteur, Boston Dynamics à Waltham (Massachusetts), commercialise cet appareil de 74 500 dollars pour l'inspection mobile des usines, des chantiers de construction et des environnements dangereux. Un robot d'apparence similaire, le Mini Cheetah, a été développé au Massachusetts Institute of Technology (MIT) à Cambridge. "Plus de 90 % des animaux terrestres sont quadrupèdes", explique Sangbae Kim, ingénieur mécanicien au MIT, qui a participé à la conception du Mini Cheetah. "Il est donc naturel de s'intéresser au monde des quadrupèdes. Et le guépard est le roi de ce monde en termes de vitesse." Abonnez-vous àla lettre d'information de Nature sur la robotique et l'IA
Le Mini Cheetah peut déjà effectuer des sauts périlleux et courir à une vitesse de 3,9 mètres par seconde, soit environ un dixième de la vitesse d'un vrai guépard, mais une vitesse élevée pour un robot. Kim développe actuellement un logiciel de contrôle qui, espère-t-il, permettra au robot de se déplacer en douceur sur différentes surfaces. Il s'agit d'un véritable défi, car les règles de déplacement d'un membre varient en fonction de la friction et de la dureté de la surface. Actuellement, le robot peut trébucher lorsqu'il passe de l'herbe au béton ou qu'il monte une colline caillouteuse. "Il se déplace de manière très laide et maladroite", explique Kim. "Il ne tombe pas, mais il n'est pas efficace.
Néanmoins, les robots quadrupèdes constituent l'une des meilleures options pour négocier des terrains difficiles, explique J. Sean Humbert, ingénieur mécanicien qui dirige le laboratoire de perception et de robotique bio-inspirée à l'université du Colorado, à Boulder. L'année dernière, son groupe a participé au Subterranean Challenge de l'Agence américaine pour les projets de recherche avancée de défense, dans le cadre duquel des robots étaient chargés de naviguer dans des tunnels, des grottes et des environnements urbains pour trouver des cibles particulières ; l'équipe a remporté la troisième place et a gagné 500 000 dollars. "Les robots qui ont obtenu de très bons résultats dans toutes les équipes étaient les robots à pattes", explique M. Humbert. Mais face à un paysage sablonneux, montagneux et rocailleux, ces robots ont eu du mal. "Même notre robot Spot s'est renversé et a glissé", explique-t-il.
Sentir la tension
Une solution possible, selon M. Humbert, consiste à doter les robots de la capacité innée des animaux à percevoir les informations mécanosensorielles, telles que la pression, la déformation ou les vibrations, et à y répondre. Il a adopté cette approche pour les machines volantes en intégrant des capteurs de contrainte dans les ailes des drones à voilure fixe, ainsi que dans les bras des drones quadrotors, qui s'appuient sur des pales en rotation pour voler et rester en vol stationnaire.
Ces travaux sont nés de l'étude des abeilles. Lorsque Humbert plaçait des abeilles dans une soufflerie et les frappait avec des rafales d'air soudaines, leur vol était momentanément perturbé. Après un changement rapide du rythme de leurs battements d'ailes, elles se remettaient d'aplomb. Les abeilles mellifères battent des ailes 251 fois par seconde, et les animaux peuvent effectuer ces corrections en seulement 15 à 20 battements, soit environ 0,08 seconde. "Nous en avons conclu qu'il devait s'agir d'informations mécanosensorielles", explique M. Humbert. "La vision n'est tout simplement pas assez rapide pour corriger les rotations que nous observons. Selon lui, si un drone pouvait détecter une perturbation de la même manière et la corriger automatiquement aussi rapidement, il risquerait beaucoup moins de s'écraser ou de dévier de sa trajectoire.
Les poissons réagissent également aux stimuli mécanosensoriels, en utilisant un système d'organes sensoriels connu sous le nom de ligne latérale. Cette structure se compose de centaines de minuscules capteurs répartis le long de la tête, du tronc et de la nageoire caudale. Elle permet aux poissons de percevoir les changements dans le mouvement et la pression de l'eau provoqués par des obstacles, tels que des rochers ou d'autres animaux. "Les poissons détectent tout cela et s'en servent, ainsi que de leur vision, pour se positionner les uns par rapport aux autres", explique M. Nagpal. Il n'existe pas de capteur de pression sous-marine comparable, mais son équipe espère en développer un pour améliorer la navigation des Bluebots.
À San Diego, M. Tolley étudie des robots construits à partir de polymères ou d'autres matériaux souples qui peuvent interagir avec les humains en toute sécurité ou se faufiler dans des espaces restreints. Les robots mous et flexibles pourraient avoir des mouvements plus souples que les robots durs dotés de quelques articulations seulement, mais il est difficile de les faire marcher sur des jambes molles.
Tolley a conçu un robot doté de quatre pattes souples, chacune divisée en trois chambres2. De l'air sous pression pénètre d'abord dans une chambre, puis passe dans la suivante. Ce mouvement entraîne la flexion des jambes, puis leur relâchement. En activant alternativement les paires de jambes opposées, le robot se déplace comme une tortue. Et comme il n'a pas besoin de commandes électroniques, sa conception pourrait être utile même en présence d'interférences électromagnétiques.
Qu'ils soient durs ou mous, les robots sont confrontés au problème de la chute. Si un robot de plusieurs millions de dollars trébuche sur un rocher sur Mars, c'est toute une mission qui risque d'être compromise. Certains chercheurs se tournent vers les insectes pour trouver des solutions, en particulier les coléoptères, qui peuvent sauter jusqu'à 20 fois la longueur de leur corps sans utiliser leurs pattes.3.
Les coléoptères cliqueurs utilisent un muscle pour comprimer les tissus mous, accumulant ainsi de l'énergie ; un système de loquet maintient les tissus comprimés en place. Lorsque l'animal relâche le loquet, produisant son cliquetis caractéristique, le tissu se dilate rapidement et le coléoptère est projeté dans les airs, accélérant à une vitesse environ 530 fois supérieure à la force de gravité. (À titre de comparaison, le passager d'une montagne russe subit généralement une force d'accélération quatre fois supérieure à celle de la pesanteur). Si un robot pouvait faire cela, il disposerait d'un mécanisme pour se redresser après avoir basculé, explique Aimy Wissa, ingénieur en mécanique et en aérospatiale qui dirige le Bio-inspired Adaptive Morphology Lab à Princeton.
Ce qui est encore plus intéressant, selon Wissa, c'est que le coléoptère peut effectuer cette manœuvre quatre ou cinq fois en succession rapide, sans subir de dommages apparents. Elle tente de développer des modèles qui expliquent comment l'énergie est rapidement dissipée sans nuire à l'insecte, ce qui pourrait s'avérer utile dans les applications impliquant une accélération et une décélération rapides, telles que les gilets pare-balles. D'autres créatures stockent et libèrent également de l'énergie pour déclencher des mouvements rapides, notamment les larves de mouches des fruits et les pièges à mouches de Vénus(Dionaea muscipula), et comprendre comment elles procèdent pourrait permettre de créer des muscles artificiels plus réactifs, selon Mme Tolley.
Totalement dépourvu de jambes
Dans certains endroits, comme les passages souterrains étroits ou les surfaces instables, les jambes pourraient prendre trop de place ou être trop instables pour propulser un robot. Howie Choset, informaticien au Robotics Institute de l'université Carnegie Mellon à Pittsburgh, en Pennsylvanie, construit des robots en forme de serpent dotés de 16 articulations qui offrent une gamme de mouvements pouvant aller des instruments chirurgicaux se déplaçant dans le corps à des robots de reconnaissance explorant des sites archéologiques.
Dans le cadre d'un de ses premiers projets, M. Choset a emmené ses robots-serpents en mer Rouge, où les anciens Égyptiens avaient creusé des grottes pour stocker les bateaux qu'ils avaient construits pour commercer avec le pays de Punt, que l'on pense être situé dans l'actuelle Somalie. Les grottes n'étaient plus sûres pour les explorateurs humains, mais les robots serpents semblaient bien adaptés à la tâche - jusqu'à ce qu'ils ne le soient plus. "La vérité, c'est que nous sommes restés bloqués", explique M. Choset. "Nous ne pouvions pas monter et descendre les pentes sablonneuses.
Pour savoir comment un vrai serpent aborderait le problème, Choset s'est tourné vers les sidewinders, des serpents qui se déplacent en poussant leur corps latéralement dans une courbe en forme de S, glissant ainsi facilement sur le sable.4. Le sable étant granuleux, il peut se comporter comme un liquide ou un solide, en fonction de la force appliquée. Choset a découvert que les personnes qui se déplacent latéralement peuvent exercer la bonne quantité de force de poussée pour que le sable reste solide sous elles et soutienne leur corps. "Ce n'est que lorsque nous avons commencé à étudier les vrais serpents, les sidewinders, et la manière dont ils se déplaçaient sur les terrains sablonneux que nous avons pu comprendre comment faire fonctionner notre robot sur les terrains sablonneux", explique-t-il.
Quant à Wissa, elle essaie de construire des robots capables de nager et de voler, en s'inspirant d'un animal qui peut faire les deux : le poisson volant.5. Ces créatures utilisent leurs nageoires pelviennes pour effleurer la surface de l'eau et s'élancer dans les airs, où ils peuvent planer jusqu'à 400 mètres.
Les poissons volants, explique Wissa, sont "en fait de très bons planeurs". Mais lorsqu'ils retombent dans l'eau, ils ne s'immergent pas. "Ils plongent leur nageoire caudale et la battent vigoureusement, ce qui leur permet de redécoller", explique M. Wissa. "Il s'agit en quelque sorte d'une manœuvre de roulage. Elle espère en apprendre suffisamment sur ce comportement pour mettre au point un robot capable de se déplacer dans l'air et dans l'eau en utilisant les mêmes mécanismes de propulsion. "En tant qu'ingénieurs, nous sommes très doués pour concevoir des objets à fonction unique", explique Mme Wissa. "Le concept de multifonctionnalité est un domaine dans lequel la nature peut nous apprendre beaucoup de choses.
Pour un autre type de locomotion multifonctionnelle, Wissa s'intéresse aux sauterelles, qui peuvent sauter puis ouvrir leurs ailes pour planer. Elle espère comprendre ce qui fait de ces sauterelles de si bons planeurs. De nombreux autres insectes ont recours à des battements d'ailes à haute fréquence pour voler. Selon elle, cela est peut-être lié à la forme de leurs ailes.
Wissa s'inspire également des oiseaux. Elle a utilisé des tests aérodynamiques et la modélisation structurelle pour étudier les plumes cachées - de petites plumes rigides qui se superposent à d'autres plumes sur les ailes et la queue d'un oiseau.6. Lorsqu'un oiseau tente d'atterrir dans des conditions venteuses, les plumes de couverture des ailes se déploient, soit passivement en réponse au flux d'air, soit activement sous le contrôle d'un tendon. Les plumes de couverture modifient la forme de l'aile et permettent à l'oiseau de mieux contrôler son interaction avec le flux d'air, tout en ne nécessitant pas autant d'énergie que le battement de l'aile entière. En apprenant à comprendre la physique de ces plumes, Wissa espère améliorer le vol d'un drone.
Une voie à double sens
La biologie a influencé la robotique, mais l'ingénierie impliquée peut également fournir des informations sur la kinésiologie animale. "Nous n'avons pas commencé par étudier la biologie", explique M. Choset. Il a plutôt modélisé mathématiquement les principes fondamentaux du mouvement qui l'intéressait. "Ce faisant, quelque chose de magique s'est produit : nous avons commencé à trouver des moyens d'expliquer le fonctionnement de la biologie. Alors, s'agit-il d'une biologie inspirée par les robots ou de robots inspirés par la biologie?
D'autres ingénieurs ont vécu des expériences similaires. Nagpal collabore avec l'ichtyologiste George Lauder, de l'université Harvard à Cambridge, pour modéliser l'hydrodynamique de la formation des bancs, afin de déterminer si cette formation apporte un avantage énergétique aux poissons vivants. Les modèles qui permettent aux drones de voler de manière plus efficace sur le plan énergétique pourraient aider à expliquer comment les oiseaux et les insectes ont évolué pour faire quelque chose de similaire. Mme Wissa espère que ses travaux, outre la construction de robots volants et nageurs, permettront de mieux comprendre les poissons volants. "Nous utilisons ce modèle pour tester des hypothèses sur la nature, sur les raisons pour lesquelles certaines espèces de poissons volants ont des nageoires pelviennes élargies et d'autres non", explique Mme Wissa.
Mais malgré les liens entre la biologie et l'ingénierie, il ne faut pas s'attendre à ce que les robots bio-inspirés ressemblent en fin de compte aux créatures qui les ont influencés. Selon Mme Wissa, bien que de nombreuses premières tentatives d'imitation de la biologie ressemblent aux formes biologiques originales, l'objectif ultime des scientifiques est de comprendre les principes qui sous-tendent le fonctionnement des systèmes, puis de les adapter à des structures et à des matériaux différents. "Nous ne faisons que copier la physique et les règles de fonctionnement des choses", explique-t-elle, "puis nous fabriquons des systèmes d'ingénierie qui remplissent la même fonction".
doi: https://doi.org/10.1038/d41586-022-03014-x
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Références
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- Drotman, D., Jadhav, S., Sharp, D., Chan, C. & Tolley, M. T. Sci. Robot. 6, eaay2627 (2021).Article PubMed Google Scholar
- Bolmin, O. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 118, e2014569118 (2021).Article PubMed Google Scholar
- Chaohui Gong, R., Hatton, L. & Choset, H. In 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation 4222-4227 (2012).
- Saro-Cortes, V. et al. Integr. Comp. Biol. https://doi.org/10.1093/icb/icac101 (2022).Article Google Scholar
- Duan, C. & Wissa, A. Bioinspir. Biomim. 16, 046020 (2021).Article Google Scholar
