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Un insecte pilote un robot pour lui apprendre l’odorat

Des chercheurs de l’université de Tokyo travaillent à la création d’un algorithme comportemental pour créer des robots capables de localiser des odeurs, pour repérer une fuite de gaz toxique par exemple. Ils ont fait appel... à un papillon de nuit pour piloter un petit robot afin d’étudier le mécanisme neuronal de son odorat lorsqu’il est stimulé par des phéromones femelles.

Sur l’image A, on voit le papillon (silkmoth) posé sur la balle de polystyrène (ball) dont les mouvements sont détectés par un capteur optique de souris informatique (optical sensor) puis analysés par le processeur (processing unit) qui transmet la commande aux deux moteurs électriques (DC motor). Afin de compenser le fait qu’il n'est pas au sol, deux petits ventilateurs placés à l’avant du robot (front fans) orientent les phéromones vers le papillon. Un séparateur (separator) divise le flux en deux canaux distincts pour augmenter le réalisme sensoriel. L’image C schématise la danse nuptiale qu’effectue le papillon dès qu’il détecte les phéromones femelles. © Research Center for Advanced Science and Technology, université de Tokyo Sur l’image A, on voit le papillon (silkmoth) posé sur la balle de polystyrène (ball) dont les mouvements sont détectés par un capteur optique de souris informatique (optical sensor) puis analysés par le processeur (processing unit) qui transmet la commande aux deux moteurs électriques (DC motor). Afin de compenser le fait qu’il n'est pas au sol, deux petits ventilateurs placés à l’avant du robot (front fans) orientent les phéromones vers le papillon. Un séparateur (separator) divise le flux en deux canaux distincts pour augmenter le réalisme sensoriel. L’image C schématise la danse nuptiale qu’effectue le papillon dès qu’il détecte les phéromones femelles. © Research Center for Advanced Science and Technology, université de Tokyo

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Des cinq sens humains, l’odorat est l’un des plus complexes à transposer en bionique. Pourtant, repérer et suivre une odeur jusqu’à sa source peut s’avérer fort utile lorsqu’il s’agit de localiser une fuite toxique ou de détecter une présence humaine dans des décombres. Pour cela, on utilise des capteurs chimiques ultrasensibles avec des temps de latence très courts associés à des algorithmes comportementaux.

Des chercheurs du Research Center for Advanced Science and Technology de l’université de Tokyo au Japon ont choisi de s’inspirer directement de la nature pour créer un algorithme plus performant. Ils se sont servis d’un insecte, et spécifiquement d’un papillon de nuit (Bombyx mori), dont ils ont observé le comportement en le mettant aux commandes d’un robot miniature spécialement conçu. Ce spécimen a en effet la particularité de réagir de façon prédéterminée lorsqu’il sent les phéromones dégagées par une femelle de son espèce. Il effectue alors une danse nuptiale spécifique faite de lignes droites, de déplacements en zigzag et d’un tour à 360 degrés. 


Dans cette vidéo, on découvre comment l’insecte parvient à diriger le robot vers la source des phéromones qu’il a détectées. L’image de droite montre le test effectué dans des conditions normales, tandis que l’image de gauche montre comment le papillon parvient à s’adapter lorsque les déplacements du robot sont volontairement faussés. © Institute of Physics, YouTube

Grâce à ce modèle, les chercheurs ont pu analyser le schéma neuronal qui s’enclenche lorsque le papillon détecte les phéromones. « En créant un cerveau artificiel basé sur le comportement neuronal du papillon, nous espérons pouvoir l’implanter dans un robot mobile qui sera similaire au robot contrôlé par un insecte que nous avons développé pour cette étude », explique le docteur Noriyasu Ando qui a participé à l’étude publiée dans la revue Bioinspiration and Biomimetics.

Les papillons équipés du robot trouvent bien les phéromones

Le robot utilisé pour cette expérience a été pensé pour le papillon. Monté sur deux roues mues par deux minimoteurs électriques, il est contrôlé par un ingénieux système qui reprend le principe de la souris informatique. Le papillon est placé sur une balle de polystyrène reliée à un capteur optique. Dès que l’insecte fait un mouvement, la balle tourne et le capteur envoie l’information à un processeur embarqué qui calcule la trajectoire et contrôle les moteurs. Deux microventilateurs ont été installés à l’avant du robot afin de diriger les phéromones vers le papillon. Un séparateur installé entre les ventilateurs a pour fonction de répartir le flux d’air afin de provoquer un stimulus olfactif bilatéral. Il s’agit d’intensifier la chimiotaxie, le mécanisme comportemental qui se déclenche lorsque le papillon sent les phéromones, et qui le conduit à entamer cette danse nuptiale pour rejoindre la source.

Le test a été mené dans une soufflerie miniature de 1,8 m de long sur 0,9 m de large. À l’une des entrées était placé un filtre contenant un extrait de phéromones de papillon femelle. À l’autre extrémité, le papillon mâle installé aux commandes du robot attendait de capter les phéromones qui déclenchent la chimiotaxie. Bilan : sur les 14 papillons utilisés pour cet essai, tous ont réussi à guider le robot vers la source des phéromones.

Capacités d’adaptation des papillons

Les chercheurs ont ensuite évalué la capacité du papillon à s’adapter en modifiant le comportement du robot pour qu’il vire dans une direction imprévue. Malgré ce handicap, le taux de réussite a été de 80,8 %. « Nous considérons ce robot comme un seul organisme, expliquent les chercheurs. L’insecte est le cerveau, tandis que le robot est le corps. Ainsi, en manipulant la relation entre l’insecte et les mouvements du robot, l’insecte expérimente des mouvements non intentionnels qui le dévient de la bonne trajectoire. Si le papillon est capable de corriger la trajectoire à partir de ces retours sensoriels, alors le robot serait en mesure d’identifier la source de la phéromone. »

Les scientifiques ont également fait varier la latence entre le moment où la balle de polystyrène bougeait et l’exécution de la commande par le robot, afin de reproduire les conditions réelles d’un système bionique. Plus le temps de latence était long, plus le taux de réussite diminuait. Un facteur très important à prendre en compte dans le choix des composants (capteurs, processeurs) à utiliser pour un système olfactif artificiel, en ont conclu les chercheurs de l’université de Tokyo. C’est là un pas de plus vers la création de robots bioniques doués d’un sens de l’adaptation et capables de localiser des odeurs.


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