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Des robots constructeurs inspirés des termites

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Une équipe de chercheurs et d'ingénieurs de l'université Harvard a créé une équipe de robots constructeurs autonomes. Leur système, qui s'inspire des termites, n'implique aucune hiérarchie ou supervision à distance. Il utilise des robots très simples et un algorithme qui leur permet de travailler indépendamment pour construire une structure dont ils n'ont pas besoin de connaître le plan.

Les minirobots Termes conçus par une équipe de l’université Harvard sont équipés de capteurs infrarouge qui leur servent à se repérer et à détecter les autres robots. Ils sont capables de construire des structures à partir de blocs en mousse de façon autonome grâce à un algorithme qui fixe seulement des règles de circulation et de comportement. © Eliza Grinnell, SEAS Communications

À bien des égards, le comportement des insectes sociaux est une source d'inspiration pour la recherche. Les termites notamment sont des animaux fascinants, capables de construire des structures de plusieurs mètres de hauteur sans aucune supervision ni organisation hiérarchique. Ce sens inné a été identifié par le biologiste français Pierre-Paul Grassé qui a inventé le terme de « stigmergie ». Il décrit une « stimulation des travailleurs par l'œuvre qu'ils réalisent ». En quelque sorte, un système de communication implicite entre certaines espèces d'insectes comme les termites ou les fourmis, où chaque individu réagit aux changements de son environnement. Dans le cas des termites, ils se servent des phéromones qu'ils mélangent à la boue utilisée pour l'assemblage. L'odeur des phéromones attire les autres termites, qui vont déposer leur paquet de boue à côté des autres et ainsi de suite.

Des chercheurs de la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) et du Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering se sont inspirés de cette règle décentralisée pour concevoir des robots constructeurs autonomes. Ils sont pilotés par un algorithme de contrôle qui part de la structure finale pour déterminer un jeu de règles que des robots vont suivre.

Pour concevoir leur modèle robotique, les chercheurs de l’université Harvard se sont inspirés des termites qui sont capables de construire des structures sans aucune supervision en se coordonnant grâce à l’environnement qu’elles sont en train de créer. L’utilisateur choisit une structure à construire : un compilateur définit un jeu de règles de circulation correspondant à cet assemblage, auquel il associe des règles de comportement afin que le robot sache quoi faire lorsqu’il se trouve sur la structure avec un bloc à placer, ou s’il rencontre un autre robot. La même structure peut être bâtie de plusieurs manières différentes. © Université Harvard

Des robots-termites simples à fabriquer

Les robots agissent indépendamment, chacun poursuivant sa tâche tout en étant capable de construire seul l'ensemble de la structure. Les résultats de ce projet baptisé Termes, mené depuis quatre ans, ont été présentés la semaine dernière et font l'objet d'une publication dans la revue Science. Les robots ont été pensés pour être simples à fabriquer afin d'accomplir des tâches basiques. Ils ont été conçus à partir de pièces du commerce et d'éléments créés avec une imprimante 3D. Chaque modèle mesure 175 mm de long pour 110 mm de large et 100 mm de haut, avec un poids de 810 g. Il est équipé d'un microcontrôleur (ATmega1281), d'une connexion sans fil Bluetooth pour communiquer avec un ordinateur et de deux batteries lithium-ion. Pour se déplacer et se repérer, il utilise quatre roues motrices différentielles mues par deux moteurs. Un bras motorisé équipé d'une griffe lui sert à saisir les blocs qui ont été spécialement conçus avec des inserts, des encoches et des aimants pour faciliter leur manipulation et assemblage. Le robot transporte le bloc en le rabattant à l'horizontale sur son dos. Une patte fixée à l'arrière fait office de butoir. Pour repérer le périmètre de la structure, détecter la présence d'autres robots et se positionner sur les blocs, un robot utilise des capteurs infrarouge.

Les blocs en mousse noire ont été spécialement élaborés avec une croix blanche dessinée sur leur surface. Lorsqu'un robot se trouve au centre d'un bloc, les quatre capteurs placés aux coins sous le châssis sont sur des zones noires tandis que les deux capteurs placés à l'avant et centrés sont sur une bande blanche. C'est ainsi que le robot détermine sa position et son orientation. Un interrupteur au mercure lui indique son inclinaison pour qu'il sache qu'il est complètement positionné sur un bloc.

Règles de circulation et de comportement pour les robots bâtisseurs

Comme indiqué, l'algorithme développé par les chercheurs de Harvard part d'une structure finale à accomplir pour déterminer un jeu de règles que les robots vont appliquer. Depuis son ordinateur, l'utilisateur sélectionne un modèle de construction. Puis un compilateur convertit la structure en un schéma directeur sous forme de grille 3D, où sont spécifiées les hauteurs de blocs aux différents points de l'édifice. Cette grille, qui sert de guide invisible, combine des règles de circulation (par exemple circuler sur le périmètre dans le sens des aiguilles d'une montre) et des lois comportementales qui indiquent au robot quoi faire en fonction de sa position sur la structure, s'il transporte ou non un bloc et s'il détecte un autre robot sur son chemin.

Les chercheurs ont testé leur système avec trois robots auxquels ils ont commandé une structure en forme de trident composée d'une douzaine de blocs. Ils ont d'abord disposé trois blocs en enfilade puis peint une flèche blanche sur le sol pour marquer le point d'entrée sur la structure. Chaque robot s'élance à la recherche de ce marqueur, puis grimpe sur la structure pour agripper un bloc et le placer. Les autres robots suivent, marquant un temps d'arrêt à chaque fois qu'ils rencontrent un congénère. Il leur a fallu une demi-heure pour réaliser cette structure. Les auteurs pensent que leur algorithme pourrait assez facilement être adopté pour créer des constructions plus élaborées impliquant plus de robots. Les chercheurs ont démontré que des robots peuvent être utilisés pour des constructions sans supervision globale, ce qui signifie qu'ils pourraient servir dans des environnements où l'Homme ne veut ou ne peut aller. Les chercheurs imaginent par exemple que des robots pourraient bâtir des digues avec des sacs de sable pour prévenir une inondation, ou encore réaliser des assemblages dans le cadre de missions spatiales sur des planètes extraterrestres.

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