Les biorobots, nouvelle frontière dans la technologie

En quelques milliards d’années, les êtres vivants sous la pression de la sélection naturelle ont déployé un extraordinaire éventail de stratégies pour survivre dans des situations extrêmes, se mouvoir dans des milieux hostiles ou percevoir leurs environnements complexes. Paradoxalement, les systèmes mécaniques et électroniques des robots sont fondés sur une petite gamme de options technologiques (roue, propulseurs, caméra, and so on.) dont le champ d’motion est en comparaison relativement restreint. Et si les robots étaient dotés de pattes, nageoires ou ailes rétractables pour naviguer et explorer des environnements réputés difficiles tels que des décombres, le vol avec turbulences ou les fonds marins ?

Un des objectifs de la robotique bio-inspirée est donc d’explorer de nouveaux paradigmes technologiques en reproduisant et expliquant les mécanismes trouvés par le vivant, afin de concevoir une nouvelle génération de robots mieux adaptés aux situations extrêmes, plus polyvalents et robustes, capables d’interagir entre eux et avec les humains.

Prenons l’exemple des véhicules autonomes terrestres : ils utilisent majoritairement des roues. Ces robots à roues s’enfoncent dans les zones meubles (boues ou sables), perdent de l’adhérence sur les fortes pentes ou restent bloqués devant des obstacles. S’il existe des options spécifiques à chacune de ces contraintes, pressure est de constater que certains animaux peuvent résoudre tous ces problèmes avec une fluidité de mouvement et une économie d’effort qui font rêver les ingénieurs.

C’est par exemple le cas des serpents qui utilisent une surprenante variété de modes de locomotion pour se déplacer dans le sable (par enroulement latéral ou soulèvement sinusoïdal), prendre appui dans des milieux clos ou fracturés (mode concertina) ou sauter de branche en branche. Cette capacité multimodale de locomotion a motivé le développement de robots serpentiformes. Le premier robot-serpent ACM-III fut conçu en 1972 par Shigeo Hirose dans un laboratoire japonais.

Ces premiers prototypes furent initialement créés dans un however purement académique, mais les biorobots ont depuis investi des milieux réputés inaccessibles pour l’homme : on les utilise aujourd’hui à la suite de tremblements de terre pour retrouver des victimes sous les décombres ou la upkeep des buildings off-shore avec la start-up Eelume.

Les origines de la bio-inspiration

Bien que les robots bio-inspirés n’ont fait que très récemment leur apparition dans le milieu militaire, industriel ou grand public, on les retrouve aux origines mêmes de la robotique. En effet, les « animatroniques » ou autres canards de Vaucanson peuplent depuis bien longtemps les cupboards de curiosité.

Le level de bascule entre ces automates et les premiers robots autonomes se joua dans la première moitié du XX^e siècle, conjointement à l’émergence de la cybernétique. Cette dernière self-discipline vise à expliquer et reproduire la complexité des systèmes vivants par des phénomènes de régulations internes. On dota alors les automates chiens ou renards de capacités à réagir en fonction de leur environnement : les premiers robots étaient nés.

Mais cette piste animale va décliner progressivement dans les années 60 au revenue d’une robotique robuste et performante au service de la method pour répondre aux défis de la manufacturing industrielle ou de l’exploration spatiale. L’autre raison du déclin est l’incroyable complexité des systèmes vivants encore inaccessible aux applied sciences de l’époque. Le paradoxe de Moravec illustre bien ce level :

« Le plus difficile en robotique est souvent ce qui est le plus facile pour l’homme. »

Hans Moravec

Ce qui est sous-entendu ici, c’est l’incroyable capacité qu’ont les animaux (dont les humains) à effectuer des tâches simples (se déplacer, détecter et éviter un impediment) avec un ajustement généralement parfait entre l’objectif et l’motion. On sait aujourd’hui que cet accord ne repose pas seulement sur des capacités cognitives (désolé pour ChatGPT), mais sur des synergies complexes entre les buildings biomécaniques et les boucles sensori-motrices.

Le renouveau de la biorobotique

La biorobotique va néanmoins réémerger dans les années 2000 en profitant du sillage du « increase de la robotique » avec l’accroissement de la puissance de calcul embarquée. L’data peut alors être traitée parallèlement et plus rapidement. Les boucles sensori-motrices artificielles, correspondant à la réponse motrice aux stimuli sensoriels, se complexifient progressivement pour reproduire plus fidèlement les performances des systèmes nerveux.

De récents travaux ont par exemple pu reproduire l’extraordinaire résilience du système neuronal de certains vertébrés. S’inspirant des lamproies, des robots nageurs anguiformes de l’École Polytechnique fédérale de Lausanne sont capables de récupérer leur fonction motrice malgré l’endommagement des modules du robotic imitant les vertèbres de l’animale. En effet, ces chercheurs suisses et français ont montré que si une vertèbre du robotic dysfonctionnait, empêchant le transfert de l’data motrice aux vertèbres suivantes, la fonction motrice pouvait être récupérée en utilisant des stimuli sensoriels provenant du fluide ou du corps by way of la proprioception.

Le robotic peut donc maintenir sa nage malgré de sévères dommages de sa colonne vertébrale artificielle en puisant dans son environnement physique l’data nécessaire pour synchroniser son activité motrice. De tels résultats ouvrent la voie à des robots plus robustes mais aussi nous éclairent sur le fonctionnement du système nerveux des vertébrés tel que l’homme.

Parallèlement, une meilleure connaissance de la biomécanique animale démontre qu’il est attainable de faire l’économie de lourdes tâches cognitives et numériques grâce à des éléments morphologiques adaptés. Cette intelligence incarnée dans la morphologie est un levier extraordinaire pour résoudre le paradoxe de Moravec.

Ainsi, une de ces pistes prometteuses est l’intégration de composantes déformables dans les biorobots afin d’apporter de la résilience dans la construction mécanique ou d’optimiser le transfert d’énergie du corps au mouvement. Le développement de ces systèmes déformables donne lieu à une self-discipline à half entière : la robotique souple. Les mains artificielles intègrent par exemple des pulpes souples aux extrémités des doigts afin de diminuer la précision du calcul nécessaire à la manipulation d’objet tout en limitant la pression mécanique sur les objets manipulés.

Ici, la leçon de biomécanique se résume au fait qu’il vaut mieux éviter de vider une boite à œufs avec une pince anglaise.

Pour aller plus loin

Quelle est la (future) place des bio-robots ?

Grâce à leur place hybride entre machine et animal, les biorobots peuvent accomplir des tâches là où le vivant excelle, mais pour lesquelles la nature de la mission (risque, durée, contrôlabilité…) nécessite l’emploi d’un système mécatronique, par exemple pour trouver et inspecter le cœur de la centrale de Fukushima, ou pour étudier un comportement animal ou quantifier la dynamique de la faune et de la flore avec un faible influence sur les écosystèmes. Les purposes sont donc multiples, même si elles restent encore cantonnées à des options de area of interest.

Mais la principale leçon de la robotique bio-inspirée est l’humilité qu’impose cette démarche. Reproduire le vivant nécessite non seulement une maîtrise des applied sciences actuelles, mais aussi une forte curiosité des avancées récentes en biologie. Ces robots peuvent ainsi se concevoir comme un média help de notre curiosité envers le monde animal. Cette self-discipline ouvre alors des passerelles vers le vivant nous rappelant que nous sommes encore loin d’égaler une Nature riche en diversité et complexité. Un tel patrimoine inestimable doit donc être protégé.

Johann Herault, Maître-assistant en robotique bio-inspirée, Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes, IMT Atlantique – Institut Mines-Télécom

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article unique.

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