| Points clés à retenir – Des chercheurs de Harvard ont construit un essaim de robots simples ressemblant à des fourmis (RAnts) capables d’excaver et de construire collectivement des structures sans contrôle central. – En ajustant seulement deux paramètres — la force de la coopération et le taux de dépôt de matériaux —, le même essaim peut alterner entre la construction de nouvelles structures et le démantèlement de celles existantes. – Un comportement de groupe adaptatif peut émerger de l’interaction entre de nombreux agents simples et leur environnement, avec des applications potentielles dans de nombreux domaines. |
En matière de travail d’équipe, nous pourrions tous apprendre quelque chose des fourmis. Ces animaux relativement simples et dotés d’un petit cerveau sont célèbres pour leur capacité à construire collectivement des structures massives, complexes et climatisées, sans avoir ni plan ni chef de chantier.
Des chercheurs de l’ École d’ingénierie et de sciences appliquées John A. Paulson (SEAS) et de la Faculté des arts et des sciences de Harvard, fascinés depuis longtemps par les phénomènes physiques qui orchestrent des processus naturels d’une complexité extraordinaire — des colonies de fourmis aux circonvolutions cérébrales en passant par le système digestif humain — ont mis au point une flotte de robots coopératifs qui, à l’instar des fourmis, peuvent s’organiser spontanément pour construire et démanteler des structures. Ils ne sont régis que par des signaux environnementaux et des règles physiques minimales.
Leur étude, publiée dans PRX Life , démontre comment un essaim décentralisé d’agents, qu’il s’agisse de robots ou d’insectes, peut se coordonner pour accomplir des tâches sans contrôle central, offrant ainsi des perspectives sur les systèmes biologiques et les futurs systèmes robotiques autonomes.
L’étude est dirigée par le professeur L. Mahadevan , dont le laboratoire étudie les communautés d’insectes sociaux depuis de nombreuses années et a déjà démontré qu’il était possible d’imiter les prouesses d’excavation et d’évasion des fourmis à l’aide de robots.
« Notre nouvelle étude montre comment des règles locales simples peuvent mener à l’émergence d’une réalisation de tâches complexes, auto-organisée et donc robuste et adaptative », explique Mahadevan, professeur Lola England de Valpine de mathématiques appliquées, de biologie des organismes et de l’évolution, et de physique à la SEAS et à la FAS. « Nous introduisons également le concept d’« intelligence excarnée », selon lequel la cognition collective ne résulte pas uniquement d’agents individuels, mais de leur interaction continue avec un environnement en constante évolution. »
Ces travaux pourraient déboucher sur de nombreuses applications potentielles, allant de la construction autonome en environnements dangereux à l’exploration planétaire, en passant par les modèles expérimentaux pour l’étude du comportement animal.
Identifier les paramètres qui produisent des comportements collectifs
Dans leur dernière étude, l’équipe a perfectionné sa plateforme robotique pour démontrer ses performances en matière d’excavation et de construction, tout en identifiant, et c’est crucial, les paramètres clés nécessaires pour obtenir ces comportements.
Les insectes sociaux, comme les fourmis et les termites, construisent des structures complexes grâce à une technique biologique appelée stigmergie. Les individus modifient leur environnement et réagissent à ces modifications. Les fourmis émettent des phéromones, sortes de parfums chimiques, auxquelles leurs congénères réagissent. Inspiré par cette réaction en chaîne naturelle, le laboratoire de Mahadevan utilise des fourmis robotisées, les RAnts, qui réagissent à des « photormones », des champs lumineux simulant les champs de phéromones.
Chaque robot détecte les gradients du champ de photorones et laisse des signaux lors de ses déplacements, créant ainsi une boucle de rétroaction entre les robots et leur environnement. Ceci permet la coordination au sein de l’essaim.
Les agents fonctionnent selon quelques règles seulement : suivre les gradients du signal photormone ; prélever et transporter les éléments constitutifs en réponse à ces signaux ; et déposer les matériaux lorsque les seuils de signal sont atteints.
Ces règles simples engendrent pourtant des comportements sophistiqués. Les robots se regroupent spontanément pour former des sites de nucléation, où des structures commencent à émerger. Ces sites apparaissent grâce à un mécanisme appelé instabilité de piégeage, dans lequel les robots sont temporairement confinés par les signaux qu’ils génèrent. À mesure que davantage de robots convergent vers ces emplacements, la construction s’accélère, produisant des agrégats organisés de matériaux de construction.
Des essaims qui alternent entre construction et démantèlement
Faisant écho à des travaux antérieurs , les chercheurs ont constaté que le comportement de l’essaim pouvait être modulé en ajustant deux paramètres clés : l’intensité de la coopération, c’est-à-dire la force avec laquelle les robots suivent le gradient du signal ; et le taux de dépôt, c’est-à-dire si les robots déposent ou retirent des matériaux. En modifiant ces paramètres, les chercheurs ont démontré que leur essaim pouvait alterner entre la construction de nouvelles structures et le démantèlement de celles existantes.
Les expériences s’appuient sur un cadre théorique décrivant l’évolution conjointe de la densité des agents, des signaux de communication et de la structure environnementale. Ce modèle étend les théories classiques de l’agrégation biologique afin de prendre en compte les environnements qui évoluent dynamiquement sous l’effet des actions des agents.
https://seas.harvard.edu/news/simple-robots-collectively-build-and-excavate-are-inspired-ants
