Des poussins, des cafards, des buses, des lamproies: un bestiaire croissant de créatures artificielles peuple les laboratoires de robotique. Le plus souvent, ces robots dits bio-inspirés imitent les astuces de la nature pour améliorer les capacités des machines. Parfois, cette robotique zoologique permet, en retour, de faire des découvertes sur les espèces qu’elle prend pour modèles.

Reproduire l’atterrissage des buses

Ce champ de recherche voué à copier le vivant pour le comprendre émerge dans les années 1990, se constituant sous le nom d’Artificial Life. Dario Floreano, qui dirige aujourd’hui le Laboratoire de systèmes intelligents à l’EPFL, est alors un des pionniers de ces explorations. «Il s’agissait à l’époque d’une communauté marginale, mais elle a été fondamentale pour établir une notion que le monde scientifique considère de plus en plus comme normale, à savoir que des robots peuvent être utilisés comme modèles pour affronter des questions ouvertes en biologie», se souvient-il. Le bond en avant dans la miniaturisation des outils numériques, dès le milieu des années 2000, a permis à ces promesses de commencer à se concrétiser.

Au fil des deux dernières décennies, cette approche se décline en quatre champs. On l’utilise pour reproduire de manière accélérée des conditions évolutives et comprendre l’apparition de certains traits, tels que le comportement altruiste dans des sociétés d’insectes. Ou pour étudier, via la robotique en essaim, la façon dont une forme d’intelligence collective émerge à travers la communication sensorielle au sein d’un groupe. Ou encore, pour identifier le rôle de la morphologie, c’est-àdire de la mécanique du corps, dans l’interaction d’un être vivant avec le monde. Ou enfin, dans le cas de la robotique neuronale, pour tester des hypothèses sur le fonctionnement du cerveau.

Un nouveau projet du laboratoire de Dario Floreano part de la question classique de la performance des drones. Pourquoi, se demande-t-il, le design de ces engins ne parvient-il pas à optimiser simultanément l’endurance et l’agilité, alors que les oiseaux possèdent ces deux talents à la fois? Pour s’inspirer de cette réussite de la nature, le roboticien part en quête d’informations, et découvre qu’il n'existe que très peu de connaissances sur la manière dont les oiseaux manœuvrent leurs ailes.

Il a fini par se tourner vers le zoologiste anglais Graham Taylor, un des rares spécialistes dans ce domaine, qui venait d'émettre une hypothèse innovante en observant l'approche d'une buse dressée. «Jusque-là, on pensait que les oiseaux minimisaient la durée de la manœuvre de freinage lorsqu'ils se posaient. Selon les observations de Taylor, ils s’emploient en réalité à diminuer le temps passé dans l’angle de décrochage, une position qui est nécessaire pour atterrir, mais qui les expose davantage aux rafales de vent», explique Dario Floreano. «Avec un oiseau-robot, un algorithme et un tunnel à vent, nous avons pu tester et confirmer cette hypothèse, et expliquer la manière dont les oiseaux modifient la forme de leurs ailes et de leur queue lors de cette manœuvre».

Sous couverture au royaume animal

Construire des robots qui se mêlent discrètement aux animaux vivants et observent ainsi le comportement au sein du groupe: c’est cela qui a motivé Francesco Mondada, responsable du Mobile Robotic Systems Group à l’EPFL, à étendre son travail de roboticien vers la biologie: «Si l'on veut comprendre comment des poissons interagissent, on peut, bien sûr, placer des capteurs. Mais si on parvient à s’intégrer dans leur groupe avec un individu dont on a le contrôle, et qu’on participe ainsi à leurs décisions communes, on peut aller beaucoup plus loin.»

Son premier projet dans ce domaine, au début des années 2000, portait sur les cafards. «Grâce à ce travail, nous avons pu identifier les molécules et les comportements qui permettent à ces insectes de communiquer», indique-t-il. En 2006, il a été suivi par la poule-robot, qui s'intègre dans un groupe de poussins et fournit des informations sur certains aspects de leurs interactions collectives. Et, depuis 2013, le mini-robot poisson nage avec des poissons zèbres. Cette petite espèce de poisson s'est imposée parce qu'on sait déjà beaucoup de choses sur sa communication sociale et que les poissons-robots peuvent imiter son comportement. Dans le cadre de ce projet, mené avec le biologiste français Guy Théraulaz, spécialiste de l’intelligence collective animale, on teste des modèles de comportement élaborés à partir de l’observation des poissons vivants et les valide de façon expérimentale.

Je bouge, donc je suis

Un projet sur les abeilles est encore en cours de développement chez le roboticien. «Les cafards ont été maintenus en laboratoire dans des conditions très différentes de leur habitat habituel, et les poissons dans une couche d'eau très fine, sans quoi leurs mouvements ne pouvaient pas être modélisés. Pour notre projet, nous souhaitons rendre visite aux abeilles dans leur environnement normal», précise-t-il. «Mais au lieu de simplement introduire un robot dans la ruche, nous simulons des insectes artificiels en imitant la communication naturelle avec des vibrations et de la chaleur, jusqu'à la fameuse danse des abeilles que nous pouvons influencer en variant la manière dont les abeilles se recrutent entre elles pour la recherche de nourriture.» Mené avec le groupe de recherche sur la biologie et le comportement des abeilles de l’Université de Graz, le projet a également permis de mieux comprendre comment les abeilles se rassemblent pour former ce qu'on appelle la grappe hivernale, grâce à laquelle elles peuvent survivre aux températures froides. dans laquelle les abeilles se blottissent pour survivre au froid.

«La capacité de bouger est un aspect essentiel de qui nous sommes: le développement de nos réseaux de neurones est rattaché du point de vue évolutif à celui de la locomotion.» Ce lien entre mouvement et cognition est un des ressorts de l’intérêt qu’Auke Ijspeert, responsable du Laboratoire de biorobotique à l’EPFL, porte depuis trente ans à la locomotion animale. Il modélise les mouvements et les reproduit avec des robots – de l'anguille à l'homme en passant par les oiseaux et les mammifères. «Les vertébrés ont des modes de locomotion très différents, mais les réseaux neuronaux qui les dirigent sont étonnamment similaires», raconte-t-il.

Son espèce de prédilection pour ces explorations est la lamproie - un poisson sans écailles et au corps tubulaire qui possède une capacité étonnante: «Si sa moelle épinière est sectionnée, elle continue à nager, alors que la plupart des animaux vertébrés n’arrivent plus à bouger après une telle blessure.» Parce que la robotique rend possibles «des expériences difficilement réalisables sur des animaux vivants pour des raisons éthiques ou pratiques», elle permet d’étudier ce phénomène de façon expérimentale. Les différents composants de la locomotion pouvant être activés et désactivés de manière ciblée dans le modèle. «Nous avons pu montrer ainsi que le retour sensoriel apporté par les capteurs tactiles sur la peau suffit pour coordonner la nage, même si les liens entre les réseaux de neurones sont interrompus», relève le roboticien. Transposés au corps humain, ces résultats pourraient contribuer à des techniques médicales dans lesquelles les mouvements sont réactivés par des stimulations électriques de la moelle épinière.

Les domaines de recherche de l’Artificial Life ouvrent des perspectives multiples. Francesco Mondada imagine des systèmes dans lesquels les êtres vivants et la technologie interagissent pour une surveillance sensible de l'environnement, les signaux émis par les abeilles permettant par exemple de détecter précocement une pollution. Auke Ijspeert est convaincu que la modélisation des mouvements des animaux par des robots physiques ou des simulations numériques peut donner un nouvel élan aux neurosciences en mettant en évidence les liens entre les réseaux neuronaux et les propriétés mécaniques des êtres vivants. «De plus, cette recherche va générer, en tant que sous-produit, des connaissances scientifiques et des innovations dans le domaine de l'ingénierie», espère Dario Floreano. Ainsi semble se dessiner une rétroaction positive s – entre une robotique bio-inspirée et une biologie inspirée par la robotique.