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Bionique : des microrobots fine mouche qui décoiffent !

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Analyser le fonctionnement de l'appareil visuel de la mouche, l'un des mieux organisés du monde animal, et le reproduire à bord de robots neuromimétiques capables de naviguer en toute sûreté : tel est le double enjeu des recherches menées par l'équipe de Nicolas Franceschini. Et ça décoiffe ! Attachez vos ceintures, décollage immédiat.

Pesant 100 grammes, Octave est un hélicoptère captif doté de vision. Son œil ventral observe le relief grâce à un neurone électronique détecteur de mouvement dérivé de la mouche. © H. Raguet/CNRS Photothèque

Plus Nicolas Franceschini vous parle des recherches qu'il pilote aux commandes du département de biorobotique du laboratoire « Mouvement et Perception »,(1) à Marseille, plus l'envie vous démange de regarder les mouches voler. Non pas que la conversation de cet expert en vision des insectes manque de piquant, tout au contraire. On l'écoute deviser avec fougue des prouesses comportementales de « ces aéronefs agiles » qu'il observe depuis plus de trente ans et qui lui permettent aujourd'hui de concevoir des « créatures artificielles volantes » d'une efficacité à faire pâlir de jalousie les avions et les hélicoptères. Impossible alors de ne pas lever les yeux pour contempler les arabesques de ces diptères qui vrombissent à plusieurs mètres par seconde, sans jamais s'écraser.

Complètement panoramiques, les yeux à facettes de la mouche permettent à l'insecte de voir en avant, en arrière, en haut et en bas, et de voler ainsi à une vitesse de plusieurs mètres par seconde sans se crasher. © N. Franceschini/CNRS Photothèque

Mais qu'ont donc de spécial les yeux de la mouche, pour faire de cet animal un as de la voltige depuis plus de 100 millions d'années ? D'abord, ils sont « complètement panoramiques, ce qui leur permet d'appréhender la totalité de l'environnement », répond Nicolas Franceschini. Ensuite, le « cockpit » de la mouche renferme environ 1 million de neurones alimentés par les signaux électriques provenant des 48 000 cellules photoréceptrices qui composent la mosaïque rétinienne. Le réseau neuronal traite ces signaux et expédie des « commandes électriques de vol » à 18 paires de muscles moteurs chargés d'ajuster en temps réel l'amplitude, la fréquence et l'angle d'attaque des ailes. Grâce à lui, l'insecte peut redresser son vol, échapper aux prédateurs, repérer une partenaire sexuelle et la poursuivre sans retenue avec une idée fixe en tête. Bref, des comportements vitaux que ne saurait mimer aucun des meilleurs robots d'aujourd'hui !

Après avoir déchiffré le fonctionnement des neurones détecteurs de mouvement à l'aide de microélectrodes et de microscopes spéciaux, l'équipe marseillaise a pu en transcrire le principe dans des circuits optoélectroniques miniatures qui ont déjà, voici quinze ans, donné la vue à divers robots terrestres capables d'éviter les obstacles de manière autonome.

Plus récemment, Nicolas Franceschini a découvert que la rétine de la bestiole, d'ordinaire des plus stables, se mettait à vibrer activement lors du vol. La solution pour comprendre la raison d'être d'un tel mécanisme ?

Le simuler sur ordinateur, le reproduire grâce à la technologie et le greffer à un bimoteur aérien de 100 grammes baptisé Oscar. Pour un résultat pas piqué des hannetons : « Le microbalayage rétinien peut permettre à la mouche de garder l'œil braqué sur une cible avec une finesse 40 fois meilleure que si la rétine restait statique », dit Nicolas Franceschini. Et de se réjouir qu'Oscar, malgré les tortures en tout genre que ses concepteurs lui infligent (vents de travers, chocs sur son fuselage...) dans leurs salles d'expérimentation, ne se laisse aucunement déstabiliser. Son « œil vibrant » couplé à un neurone détecteur de mouvement électronique verrouille le regard sur la cible « comme une mouche mâle lancée à la poursuite d'une femelle ». D'où l'idée, en développement, de remplacer un jour sur certains hélicoptères les radars ou les Lidars (2) « énergivores », coûteux et lourds, chargés de repérer les câbles à haute tension, par un système anti-collision dérivé de l'œil de mouche, n'émettant aucune onde, bon marché et poids plume.

Autre robot-mouche aérien doué d'« intelligence visuo-motrice » et lui aussi promis à un bel avenir industriel : Octave, un petit hélicoptère de 100 grammes dont l'œil ventral, orienté vers le sol, s'inspire directement des mécanismes de contrôle du vol chez la mouche. Il peut ainsi décoller et suivre un terrain pentu à une vitesse de 3 mètres par seconde, réagir à un vent contraire et atterrir automatiquement, le tout sans la moindre avionique (vélocimètre, altimètre, variomètre) mais par la grâce d'un « régulateur de flux optique » (3). La merveille pourrait à terme servir de pilote automatique aux engins aériens et spatiaux, et même aux sous-marins observant les fonds abyssaux.

Autant de résultats, dûment brevetés par le CNRS, à la croisée de l'éthologie, des neurosciences intégratives et de la robotique, et qui permettent de faire d'une pierre deux coups : enrichir la connaissance du vivant tout en donnant naissance à des machines bioniques inspirées de principes naturels. Des principes vieux comme le monde, qu'il suffisait de décrypter !

Philippe Testard-Vaillant

1. CNRS / Université de la Méditerranée.
Équipe lauréate du prix La Recherche 2005
(N. Franceschini, S. Viollet et F. Ruffier).
2. Pour LIght Detection And Ranging : appareil de détection qui émet un faisceau laser et en reçoit l'écho.
3. Le « flux optique » désigne le défilement de l'image rétinienne engendré par la locomotion. Le régulateur de flux optique maintient le flux optique constant en agissant sur la hauteur de vol.

Contact

Nicolas Franceschini
Laboratoire « Mouvement et perception », Marseille nicolas.franceschini@univmed.fr

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