Biorobots : quand la technologie imite la nature

En quelques milliards d’années, les êtres vivants sous la pression de la sélection naturelle ont déployé un extraordinaire éventail de stratégies pour survivre dans des conditions extrêmes. Ils ont appris à se mouvoir dans des milieux hostiles et à percevoir leurs environnements complexes. Paradoxalement, les systèmes mécaniques et électroniques des robots sont fondés sur une petite gamme de solutions technologiques (roue, propulseurs, caméra, etc.). Leur champ d’action est, en comparaison, relativement restreint.

Et si les robots étaient dotés de pattes, nageoires ou ailes rétractables pour naviguer et explorer des environnements réputés difficiles tels que des décombres, le vol avec turbulences ou les fonds marins ? Un des objectifs de la robotique bio-inspirée est donc d’explorer de nouveaux paradigmes technologiques. Pour cela, elle cherche à reproduire et expliquer les mécanismes trouvés par le vivant. Objectif : concevoir une nouvelle génération de robots mieux adaptés aux conditions extrêmes, plus polyvalents et robustes, capables d’interagir entre eux et avec les humains.

Le biomimétisme comme solution aux limites des roues sur terrain meuble

Prenons l’exemple des véhicules autonomes terrestres : ils utilisent majoritairement des roues. Ces robots à roues s’enfoncent dans les zones meubles (boues ou sables), perdent de l’adhérence sur les fortes pentes ou restent bloqués devant des obstacles. S’il existe des solutions spécifiques à chacune de ces contraintes, force est de constater que certains animaux peuvent résoudre tous ces problèmes avec une fluidité de mouvement et une économie d’effort qui font rêver les ingénieurs.

Des biorobots utilisés dans des zones inaccessibles à l’Homme

Il y a l’exemple des serpents qui utilisent une surprenante variété de modes de locomotion pour se déplacer dans le sable (par enroulement latéral ou soulèvement sinusoïdal), prendre appui dans des milieux clos ou fracturés (mode concertina) ou sauter de branche en branche. Cette capacité multimodale de locomotion a motivé le développement de robots serpentiformes. Le premier robot-serpent ACM-III fut conçu en 1972 par Shigeo Hirose dans un laboratoire japonais.

Ces premiers prototypes furent initialement créés dans un but purement académique, mais les biorobots ont depuis investi des milieux réputés inaccessibles pour l’homme : on les utilise aujourd’hui à la suite de tremblements de terre pour retrouver des victimes sous les décombres ou la maintenance des structures off-shore avec la start-up Eelume.

Les origines de la bio-inspiration

Bien que les robots bio-inspirés n’ont fait que très récemment leur apparition dans le milieu militaire, industriel ou grand public, on les retrouve aux origines mêmes de la robotique. En effet, les « animatroniques » ou autres canards de Vaucanson peuplent depuis bien longtemps les cabinets de curiosité.

Le point de bascule entre ces automates et les premiers robots autonomes se joua dans la première moitié du XX^e siècle, conjointement à l’émergence de la cybernétique. Cette dernière discipline vise à expliquer et reproduire la complexité des systèmes vivants par des phénomènes de régulations internes. On dota alors les automates chiens ou renards de capacités à réagir en fonction de leur environnement : les premiers robots étaient nés.

Le paradoxe de Moravec

Mais cette piste animale va décliner progressivement dans les années 60 au profit d’une robotique robuste et performante au service de la technique pour répondre aux défis de la production industrielle ou de l’exploration spatiale. L’autre raison du déclin est l’incroyable complexité des systèmes vivants encore inaccessible aux technologies de l’époque. Le paradoxe de Moravec illustre bien ce point :

« Le plus difficile en robotique est souvent ce qui est le plus facile pour l’homme. »

Hans Moravec

Ce qui est sous-entendu ici, c’est l’incroyable capacité qu’ont les animaux (dont les humains) à effectuer des tâches simples (se déplacer, détecter et éviter un obstacle) avec un ajustement généralement parfait entre l’objectif et l’action. On sait aujourd’hui que cet accord ne repose pas seulement sur des capacités cognitives (désolé pour ChatGPT), mais sur des synergies complexes entre les structures biomécaniques et les boucles sensori-motrices.

Le renouveau de la biorobotique

La biorobotique va néanmoins réémerger dans les années 2000. Elle profite alors du sillage du « boom de la robotique » avec l’accroissement de la puissance de calcul embarquée. L’information peut alors être traitée parallèlement et plus rapidement. Les boucles sensori-motrices artificielles, correspondant à la réponse motrice aux stimuli sensoriels, se complexifient progressivement pour reproduire plus fidèlement les performances des systèmes nerveux.

De récents travaux ont par exemple pu reproduire l’extraordinaire résilience du système neuronal de certains vertébrés. S’inspirant des lamproies, des robots nageurs anguiformes de l’École Polytechnique fédérale de Lausanne sont capables de récupérer leur fonction motrice malgré l’endommagement des modules du robot imitant les vertèbres de l’animale. En effet, ces chercheurs suisses et français ont montré que si une vertèbre du robot dysfonctionnait, empêchant le transfert de l’information motrice aux vertèbres suivantes, la fonction motrice pouvait être récupérée en utilisant des stimuli sensoriels provenant du fluide ou du corps via la proprioception.

L’exemple animal pour créer des biorobots plus robustes

Le robot peut donc maintenir sa nage malgré de sévères dommages de sa colonne vertébrale artificielle. Comment ? En puisant dans son environnement physique l’information nécessaire pour synchroniser son activité motrice. De tels résultats ouvrent la voie à des robots plus robustes. Mais aussi nous éclairent sur le fonctionnement du système nerveux des vertébrés tel que l’homme.

Parallèlement, une meilleure connaissance de la biomécanique animale démontre qu’il est possible de faire l’économie de lourdes tâches cognitives et numériques grâce à des éléments morphologiques adaptés. Cette intelligence incarnée dans la morphologie est un levier extraordinaire pour résoudre le paradoxe de Moravec.

Ainsi, une de ces pistes prometteuses est l’intégration de composantes déformables dans les biorobots. Objectif : apporter de la résilience dans la structure mécanique ou d’optimiser le transfert d’énergie du corps au mouvement. Le développement de ces systèmes déformables donne lieu à une discipline à part entière : la robotique souple. Les mains artificielles intègrent par exemple des pulpes souples aux extrémités des doigts. Cela permet de diminuer la précision du calcul nécessaire à la manipulation d’objet. Tout en limitant la pression mécanique sur les objets manipulés.

Ici, la leçon de biomécanique se résume au fait qu’il vaut mieux éviter de vider une boite à œufs avec une pince anglaise.

Quelle est la (future) place des biorobots ?

Grâce à leur position hybride entre machine et animal, les biorobots peuvent accomplir des tâches là où le vivant excelle, mais pour lesquelles la nature de la mission (risque, durée, contrôlabilité…) nécessite l’emploi d’un système mécatronique. Par exemple pour trouver et inspecter le cœur de la centrale de Fukushima. Ou pour étudier un comportement animal. Ou encore quantifier la dynamique de la faune et de la flore avec un faible impact sur les écosystèmes. Les applications sont donc multiples, même si elles restent encore cantonnées à des solutions de niche.

Mais la principale leçon de la robotique bio-inspirée est l’humilité qu’impose cette démarche. Reproduire le vivant nécessite non seulement une maîtrise des technologies actuelles, mais aussi une forte curiosité des avancées récentes en biologie. Ces robots peuvent ainsi se concevoir comme un média support de notre curiosité envers le monde animal. Cette discipline ouvre alors des passerelles vers le vivant. Et nous rappelle que nous sommes encore loin d’égaler une Nature riche en diversité et complexité. Un tel patrimoine inestimable doit donc être protégé.

À propos de l’auteur : Johann Herault. Maître-assistant en robotique bio-inspirée, Laboratoire des Sciences du Numérique de Nantes, IMT Atlantique – Institut Mines-Télécom.
Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.