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Robotique et processus adaptatifs bio-inspirés : apprentissage et évolution

Dossier - La robotique inspirée de la nature
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En 1960 naît une discipline nommée la « bionique », marquant officiellement l’intérêt des scientifiques pour les innombrables astuces découvertes par les systèmes vivants au cours de leur évolution. Le terme vient de la contraction de « biologie et technique » ou « biologie et électronique ».

  
DossiersLa robotique inspirée de la nature
 

Les travaux dans le domaine de la bionique connaissent des avancées considérables au fil des ans. Partis d'un processus de répétition programmée, les robots sont aujourd'hui capables d'apprendre seuls et même d'imiter le processus évolutionniste.

Homme bionique. © DrSJS - Domaine public
Aibo est utilisé pour tester les possibilités d'apprentissage des robots. © Sony

Quand les robots apprennent

Des enregistrements neurophysiologiques ont montré que les neurones des circuits dits « dopaminergiques » des Mammifères s'activent comme s'ils rendaient compte d'une erreur sur la prédiction de l'attribution d'une récompense. Le fonctionnement de ce type de neurones a largement inspiré l'architecture de contrôle d'un Psikharpax virtuel qui a réussi la tâche du labyrinthe en croix, après des essais aussi laborieux - mais finalement aussi efficaces - que ceux que l'on peut observer chez des rats réels.

Le robot-rat Psikharpax (ici dans sa version virtuelle) et le processus d'apprentissage. ©Mehdi Khamassi, Benoît Girard, AnimatLab, LIP6 & ISIR

De nombreux travaux portent sur l'apprentissage par imitation chez les robots, notamment ceux de l'école polytechnique de Lausanne. La poupée Robota par exemple est équipée de capteurs visuels et auditifs. Sa bouche peut remuer, ses bras sont articulés, ses mains préhensiles. Elle est capable d'imiter des gestes simples accomplis devant elle par un humain et est également capable de mettre en correspondance des sons entendus et la façon qu'elle aura de les prononcer. Outre sa contribution à la progression des connaissances sur l'apprentissage par imitation chez les systèmes artificiels, la poupée Robota est impliquée dans le programme d'éducation pour enfants autistes AuRoRa (Autonomous mobile Robot as a Remedial tool for Autistic children).

La poupée Robota optimise ses capacités dans l'accompagnement éducatif d'enfants autistes. © Alain Herzog, École polytechnique fédérale de Lausanne

Les robots se développent

Livré à lui-même sur un tapis d'éveil pour bébé, Aibo explore les conséquences sensorimotrices des différentes actions qu'il peut effectuer, comme bouger sa patte, ouvrir sa gueule, donner un coup dans un objet suspendu, japper, etc. À chaque fois, l'action choisie est celle qui optimise son apprentissage. Comme un bébé, il s'intéresse un temps à un certain comportement, qu'il reproduit plusieurs fois de suite, pour l'abandonner soudain et passer à un autre. Il élabore ainsi lentement lui-même son répertoire moteur et apprend qu'un objet suspendu peut se balancer d'un coup de patte ou qu'il peut être mordillé, que japper lors de l'entrée d'un expérimentateur entraîne... un jappement de celui-ci - un choix délibéré des chercheurs pour communiquer avec leur robot.

Aibo, comme un bébé, peut apprendre au fur et à mesure de son développement. © Frédéric Kaplan, Sony Computer Science Laboratory

Le processus évolutionniste chez les robots

La bionique s'intéresse aux robots-chiens, mais aussi aux robots volants. Dans l'état actuel des connaissances, personne ne sait exactement quel type de contrôle utiliser pour un robot à ailes battantes, ni quelle forme idéale donner aux ailes, ni quels degrés de liberté leur associer pour que ce robot vole efficacement. C'est pourquoi il est avantageux de laisser un processus évolutionniste ajuster lui-même ces caractéristiques. Par évolution, l'oiseau artificiel Robur va contrôler les mouvements des panneaux de ses ailes pour voler efficacement.

Robot volant. © Stéphane Doncieux, Jean-Baptiste Mouret, Renaud Barate, AnimatLab, LIP6 & ISIR

Bien que ces méthodes parviennent à trouver comment battre des ailes en dépensant le moins d'énergie possible, il reste que les oiseaux seraient vite épuisés à utiliser constamment ce mode de locomotion. Aussi ont-ils appris à exploiter le mouvement des masses d'air pour alterner vol battu et vol plané au-dessus des terres, comme le font les oiseaux de proie. D'autres exploitent les différences de vitesse du vent à la surface des océans comme les albatros. Par évolution, un motoplaneur simulé a reproduit la trajectoire caractéristique de cet oiseau.

Un motoplaneur a imité le vol des albatros pour optimiser son vol. © Stéphane Doncieux, Jean-Baptiste Mouret, Renaud Barate, AnimatLab, LIP6 & Isir