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Drone équipé d’un œil mimant celui d’une mouche, ailes d’avions inspirées de celles des rapaces... Jamais le vivant n’a autant captivé les scientifiques, qui étudient à la loupe ses extraordinaires prouesses. Du biomimétisme à la bio‑inspiration, le génie de la nature, décrypté grâce aux nouvelles technologies, se distillera dans toutes les fonctionnalités de demain.
Qui mieux qu’une mouche sait s’orienter en vol dans n’importe quel environnement et avec autant d’agilité ? Les chercheurs en biorobotique Fabien Expert et Franck Ruffier, de l’Institut des sciences du mouvement Etienne-Jules-Marey (CNRS/université d’Aix-Marseille), ont cherché à comprendre et à modéliser cette capacité directionnelle hors du commun pour l’adapter aux nouvelles technologies. Ainsi est né BeeRotor, le premier drone équipé de l’œil CurvACE (Curved Artificial Compound Eyes).
Breveté, ce « robot-mouche » de 80 grammes et long de 47 centimètres évite tous les obstacles dans un tunnel aux parois inégales et en mouvement. Et il n’a plus besoin d’accéléromètre, aujourd’hui encore nécessaire aux avions, fusées et autres aéronefs pour stabiliser leur vol. En lieu et place, BeeRotor dispose de capteurs de flux optiques inspirés de la vision des insectes. « En étudiant le comportement et le fonctionnement du cerveau de l’insecte, nous avons développé une nouvelle hypothèse biologique. Son œil très développé utilise des indices de flux optiques pour gérer son altitude par rapport à la pente locale et se stabiliser. Nous n’en sommes qu’aux balbutiements de la biorobotique née dans les années 2000, en associant la biologie et la robotique », explique Franck Ruffier.
La liste est longue des innovations scientifiques inspirées du génie de la nature. A travers une gigantesque fresque exposée dans les couloirs de la RATP fin 2016, le CNRS en a révélé l’étendue en présentant au grand public les travaux de ses chercheurs.
Dans la santé, par exemple, il s’agit d’identifier le principe biologique, neuronal ou sensoriel à l’œuvre pour préserver et régénérer les muscles de l’ours en hibernation. Une fois modélisé, il pourrait ouvrir la voie à de nouvelles thérapies de l’atrophie musculaire due au vieillissement ou à une maladie. Des nanoseringues, en mimant le fonctionnement des bactéries, pourraient injecter directement les médicaments dans la cellule.
En décryptant comment notre cerveau donne des ordres à nos mains ou à nos jambes, nous pourrions permettre à une personne amputée de piloter avec précision sa prothèse robotique avec ses muscles. Cette vulgarisation d’une science en pleine accélération, toujours plus complexe et boostée par des avancées technologiques exponentielles, est devenue nécessaire tant les applications attendues de cette source infinie d’inspiration pourraient changer notre vie et notre société.
Biomimétisme : du vivant aux technologies
« La recherche appliquée à visée industrielle est entrée dans une nouvelle ère. Aux XIXe et XXe siècles, elle travaillait sur des modèles mathématiques et physiques indépendamment de ce qui se passait dans le monde du vivant. Nous avons ainsi construit des méthodologies, des concepts et des mécanismes pour créer des systèmes mécaniques de plus en plus complexes. Cette phase a trouvé ses limites. Les chercheurs se sont alors tournés vers la nature. Dans un premier temps, le biomimétisme a cherché à reproduire certaines de ses caractéristiques pour créer de nouveaux matériaux. C’est le cas des composites inspirés des nids d’abeille ou de surfaces hydrophobes qui reprennent la structure géométrique de la feuille de lotus. La bio-inspiration va plus loin en cherchant comment le vivant s’adapte et en créant ainsi de nouvelles fonctionnalités », explique Jean-Marc Linares, professeur à l’université d’Aix-Marseille.
La frontière n’est pas si ténue. En effet, la bio-inspiration marque une rupture et fait naître une approche systémique du process d’innovation. Elle remet au goût du jour celle qui a été développée par l’ingénieur russe Genrich Altshuller dans les années 40. Sa méthode TRIZ (acronyme russe pour théorie de la résolution des problèmes inventifs) permet de développer la créativité des chercheurs en explorant des solutions déjà observées dans d’autres domaines. De fait, la recherche liée au vivant encourage l’interdisciplinarité et la transdisciplinarité.
Le chercheur du futur travaillera dans des équipes constituées d’informaticiens, de physiciens, de mathématiciens, de biologistes, de chimistes, de géographes ou encore de spécialistes de la robotique ou des sciences humaines et cognitives. Cette nouvelle façon de travailler en coopération commence doucement à s’imposer dans les laboratoires. Les parcours atypiques qui combinent plusieurs spécialités, comme celui du médaillé d’argent CNRS 2016, Arezki Boudaoud, devraient se généraliser. Cet enseignant-chercheur au laboratoire Reproduction et développement des plantes à l’Ecole normale supérieure de Lyon, et physicien de formation, a en effet progressivement acquis des compétences en biologie.
Demain, la bio-inspiration
On comprend l’exigence de ce décloisonnement entre les disciplines lorsqu’il s’agit de bio-inspiration, tant son champ est large. Comprendre et décrypter les interactions de milliers de fourmis nécessaires à la construction d’un nid rendront possible le codage de nouveaux algorithmes utilisables par les sciences de l’ingénieur. De nombreux secteurs de l’économie suivent de près l’évolution de ces recherches bio-inspirées.
C’est le cas de l’aéronautique, qui s’intéresse notamment à celles menées conjointement par les laboratoires toulousains Laplace et l’IMFT (Institut de mécanique des fluides de Toulouse) sur les ailes des rapaces pour tirer de leur architecture et de leur capacité d’adaptation un principe applicable. Les nouvelles technologies permettent de comprendre de mieux en mieux les « miracles » de la nature.
De nouvelles générations de microscopes électroniques font exploser l’imagerie cellulaire ; le big data (les mégadonnées) et l’intelligence artificielle ouvrent des perspectives de collecte et d’analyse des données spectaculaires. « Grâce aux nouveaux outils d’analyse de la géométrie des images et des méthodes de simulation numériques, nous comprenons mieux comment les os se régénèrent. Mais le véritable saut technologique viendra de notre capacité à reproduire numériquement les mécanismes biologiques des cellules, ce qui ouvrira la voie, par exemple, à des matériaux autoréparables », précise Jean-Marc Linares. Car il y a encore beaucoup de chemin à parcourir avant de pouvoir, un jour, prétendre à la sophistication et à la complexité du vivant. « L’une des capacités les plus singulières du vivant est celle de la coexistence de réflexes rapides et d’une adaptation en quelques essais en cas de changements imprévus de problématique ou d’environnement. C’est là que se situe le point de bascule », affirme Franck Ruffier. Or, les technologies du « deep learning » – qui font beaucoup avancer l’intelligence artificielle en permettant de modéliser des méthodes d’apprentissage à l’aide de réseaux neuronaux numériques – offrent déjà un aperçu de son potentiel.
Les travaux du spécialiste en intelligence artificielle et en robotique Jean-Baptiste Mouret, au centre de recherche consacré au numérique Inria Nancy, ont permis d’intégrer un algorithme d’apprentissage au robot. Ces lignes de code réalisent autant d’expériences qu’il est nécessaire en un temps record pour découvrir rapidement un comportement de compensation.Tout comme un enfant trouve en quelques minutes une manière de boiter avec sa cheville foulée ou un chien, un moyen pour sauter et jouer malgré une patte blessée. Le robot utilisera une simulation de son corps pour créer une « carte » détaillée des milliers de manières différentes de réaliser sa tâche. Cette carte représente les « intuitions » du robot concernant les comportements intéressants et leur potentiel.
L’homme peut également être source d’inspiration. Outre que son extraordinaire complexité ne semble pas près de livrer tous ses secrets, se posent des questions éthiques et anthropologiques. Et nous voilà entrés dans la « vallée de l’étrange », une notion inventée dans les années 70 par le roboticien japonais Masahiro Mori pour décrire le sentiment d’angoisse et de malaise qui nous saisit face aux nouvelles technologies et aux robots qui nous ressemblent, sentiment suivi d’une impression de familiarité.
