Depuis les années 90, les biologistes et les informaticiens collaborent pour mettre en place une nouvelle discipline scientifique : la robotique en essaim. Les simulations informatiques et les modélisations mathématiques sont insuffisantes pour comprendre complètement le comportement collectif des animaux. D’autres modèles spécifiques ont donc été développés. Des robots bio-inspirés ont ainsi été créés et apportent des réponses aux biologistes. Ils ont par exemple démontré que la géométrie des réseaux jouait un rôle crucial dans l’approvisionnement en nourriture des colonies de fourmis argentines. A l’avenir, de tels robots pourraient même trouver des applications médicales.
Cet article est une traduction de « Biomimetic robots: a tool to understand collective behavior ». Il a été traduit de l’anglais vers le français par Timothée Froelich.
Sources: n0madi, FlickR, CC licence ; © Simon garnier, CRCA, CNRS Toulouse
Dans un article récemment publié dans PLOS Computational Biology, Guy Theraulaz et al. ont utilisé des micro-robots pour reproduire au mieux la logique des fourmis et comprendre l’organisation de leurs mouvements collectifs, de leur nid à leurs sources de nourriture.
Comment les robots imitent le comportement des fourmis
Lorsqu’elles cherchent de la nourriture, les fourmis explorent leur environnement et forment une première piste. La présence de divers obstacles les oblige à créer bifurcations et embranchements, créant ainsi un véritable labyrinthe. Pour s’orienter et retrouver la piste originelle, elles ont recours à différents types d’informations : visuelles, proprioceptives, sociales et structurelles. Des études précédentes sur les fourmis argentines ont montré qu’elles mettaient en place un réseau de bifurcations symétriques et asymétriques et qu’elles choisissaient collectivement le chemin le plus court jusqu’à leur nourriture grâce à l’émission de phéromones et en fonction de l’angle d’embranchement de la piste.
Pour comprendre ce processus cognitif et le rôle de la géométrie dans le choix du chemin, les scientifiques de l’université Paul Sabatier de Toulouse ont utilisé Alice, le robot miniature autonome créé par Gilles Caprari à l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Pour étudier et imiter les mouvements des fourmis, ces robots ont notamment été équipés de deux capteurs de lumière imitant les antennes, et de quatre capteurs et transmetteurs à infrarouge pour détecter les obstacles. La piste de phéromones des fourmis a été remplacée par une piste de lumière pouvant s’évaporer si la route n’était pas empruntée. Les résultats montrent que les fourmis n’ont pas recours à un processus cognitif complexe pour traverser ce labyrinthe lorsqu’elles suivent une piste de phéromones. De plus, une bifurcation asymétrique semble favoriser le choix du chemin le plus court. D’après Guy Theraulaz, « utiliser ces robots pour comprendre ce phénomène biologique révèle à quelle point la physique est importante, ce qu’on n’aurait pas remarqué avec une simple simulation informatique. »
La robotique en essaim : une collaboration entre biologistes et informaticiens
Apparue dans les années 90, la robotique en essaim résulte de l’application des principes de coordination de l’intelligence d’essaim à la robotique collective. Les robots et les algorithmes ont donc été développés pour étudier l’organisation de groupes d’animaux, en particulier les oiseaux, les poissons et certains insectes comme les abeilles, les fourmis et les cafards. Simon Garnier, un biologiste qui travaille en étroite collaboration avec des informaticiens, a expliqué dans une étude publiée en 2011 comment la robotique pouvait contribuer au progrès de la recherche sur les comportements collectifs.
Même si les simulations informatiques et les modélisations mathématiques établissent un lien entre les activités d’un individu animal et le comportement d’un groupe d’animaux, ils ne donnent qu’une indication générale. Les robots sont préparés en fonction des capacités d’un seul individu et permettent donc une approche plus détaillée de la relation entre ses propriétés et ses comportements sociaux. Par ailleurs, en tant qu’entités physiques, les robots interagissent directement avec leur environnement et les autres animaux allant jusqu’à adapter leur comportement à celui de l’espèce étudiée. Ils peuvent par exemple rassembler ou trier des objets, définir une cible ou transporter collectivement des objets.
Grâce aux nouveaux outils informatiques permettant d’observer les animaux, de classer et d’analyser leurs comportements, les biologistes peuvent étudier et décrire la nature avec une grande précision. Des résultats obtenus pourraient découler de nouvelles idées et de nouveaux concepts en biologie, tel que le rôle de la géométrie pour que les fourmis choisissent le chemin le plus court.
La collaboration entre les biologistes et les informaticiens continuera à exister mais évoluera sans doute avec les nouvelles découvertes. Des applications concrètes de leur travail seront développées, comme la nano-robotique avec l’élaboration de groupes de nano-robots autonomes pouvant détruire des caillots sanguins chez l’homme.
Pour en savoir plus :
Intelligence artificielle et domotique
Source Photo à la Une : © Simon garnier, CRCA, CNRS Toulouse
