Contraction de la pupille en métal liquide dans le système visuel bio-inspiré sous stimulation par la lumière blanche. Crédit : Kun Liang, Université de Caroline du Nord à Chapel Hill.
Les technologies de vision par ordinateur sont des systèmes d’intelligence artificielle (IA) capables de capturer, d’analyser et d’interpréter des données visuelles issues d’environnements réels. Bien que ces systèmes soient aujourd’hui largement utilisés, nombre d’entre eux présentent des performances médiocres dans certaines conditions d’éclairage et lorsque la luminosité des scènes capturées change brusquement.
Des chercheurs de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill, de l’Université Westlake et d’autres instituts ont mis au point un nouvel œil artificiel inspiré des yeux humains, félins et d’autres animaux. Cet œil artificiel, présenté dans un article publié dans Science Robotics , pourrait permettre d’améliorer les capacités de détection des robots, des systèmes de sécurité avancés et des véhicules autonomes.
« Notre projet est né d’un problème simple : les systèmes de vision industrielle traditionnels (comme les caméras déployées dans les voitures autonomes ou les robots) ont du mal à gérer les changements de lumière extrêmes, comme le passage de l’obscurité totale à la lumière vive du soleil », a déclaré le Dr Kun Liang, premier auteur de l’article, à Tech Xplore.
« Ces systèmes utilisent du matériel et des algorithmes complexes pour corriger la surexposition/le flou, ce qui les rend lents, énergivores et moins fiables. La nature a résolu ce problème il y a des millions d’années : les yeux des animaux possèdent des pupilles adaptatives et des systèmes neuronaux qui s’ajustent instantanément à la lumière, sans calcul supplémentaire. »
Un système de vision adaptatif inspiré des animaux
Les travaux récents du Dr Kun Liang, du Dr Bowen Zhu, du Dr Wubin Bai et de leurs collègues s’inspirent des pupilles de la plupart des animaux, et notamment de leur capacité à ajuster automatiquement leur taille en fonction des variations de luminosité. Les chercheurs ont tenté de reproduire artificiellement ce processus d’adaptation, connu sous le nom de réflexe pupillaire à la lumière en boucle fermée (RPL ou en anglais PLR : closed-loop pupillary light reflex) ou réflexe pupillaire adaptatif (RPA ou en anglais APR : adaptive pupil reflex).
« Nos objectifs principaux étaient d’intégrer une rétine artificielle hémisphérique avec des modificateurs de forme en métal liquide (LM) pour les neurones artificiels et les pupilles adaptatives, d’imiter le PLR biologique via la déformation du LM, de résoudre les problèmes de surexposition à la lumière dans la vision industrielle et de réaliser une réplication programmable de plusieurs formes de pupilles animales pour améliorer l’adaptabilité environnementale et la précision de la reconnaissance d’images », a déclaré le Dr Zhu.
Le système de vision bio-inspiré développé par ce groupe de recherche comporte trois composants principaux. Le premier est une rétine hémisphérique biomimétique, qui est essentiellement une grille de composants photosensibles traitant et transmettant collectivement l’information visuelle.
Finalement, l’équipe a mis au point une pupille adaptative en métal liquide qui modifie sa forme et sa taille en fonction de l’intensité lumineuse.
« La rétine hémisphérique adopte un réseau de photodétecteurs à base d’hétérojonction In₂O₃/Y6 avec 64 pixels », a expliqué le Dr Liang.
« Les neurones à métal liquide, utilisant l’eutectique gallium-indium (EGaIn), réalisent une activation électrochimique et un comportement de commutation pour imiter la transmission des potentiels d’action neuronaux. L’innovation clé réside dans la pupille adaptative obtenue par l’encapsulation du métal liquide dans des microcanaux en PDMS, dont la déformation contrôlable est pilotée électrochimiquement grâce à la synergie des gradients de tension superficielle et des forces électrostatiques. »
La pupille artificielle mise au point par les chercheurs repose sur huit actionneurs en métal liquide, contrôlables indépendamment. Ces actionneurs ajustent l’ouverture de la pupille, régulant ainsi la quantité de lumière qui la traverse. De plus, ils peuvent produire différentes formes de pupille, imitant celles des humains ou celles des chats, des moutons, des calmars, des grenouilles et de divers autres animaux.
« Ce système de vision bio-inspiré reproduit parfaitement le réflexe pupillaire en boucle fermée des organismes biologiques », a déclaré le Dr Bai.
« Après que la rétine biomimétique a capté de forts signaux lumineux, ceux-ci sont encodés en courants pulsés par des neurones en métal liquide, ce qui provoque la contraction de la pupille en métal liquide et réduit ainsi l’apport de lumière afin d’éviter la surexposition des unités photosensibles. Lorsque l’intensité lumineuse diminue, la pupille se dilate automatiquement à nouveau pour assurer un apport de lumière suffisant. »
Système visuel APR en vision industrielle. Crédit : Science Robotics (2026). DOI : 10.1126/scirobotics.adx0715
Vers des systèmes de vision industrielle plus adaptatifs
Lors des premiers tests, le système mis au point par l’équipe a démontré des performances remarquables, reproduisant à la perfection les mécanismes d’adaptation à la lumière des yeux humains et animaux. Notamment, cet œil artificiel s’adapte à la lumière de manière autonome, sans intervention humaine.
« Nous avons introduit un système de pupille LM programmable qui reproduit diverses formes de pupille animale (et pas seulement une dilatation circulaire) », a déclaré le Dr Zhu. « La rétine hémisphérique In₂O₃/Y6 haute performance que nous avons démontrée possède une réponse à large bande (365 nm-780 nm) et une stabilité flexible, correspondant aux performances des photodétecteurs commerciaux.
« Notre solution, axée sur le matériel, permet de corriger la surexposition lumineuse et pourrait améliorer la reconnaissance par vision artificielle sans recourir à des algorithmes complexes. »
Ce nouvel œil artificiel pourrait bientôt être déployé dans diverses technologies, notamment les robots dotés de structures corporelles différentes, les véhicules autonomes, les outils d’imagerie médicale, les drones et les systèmes informatiques neuromorphiques.
Cela pourrait rendre ces technologies plus adaptatives, améliorant ainsi leur capacité à capturer et à analyser des images dans des environnements dynamiques réels et sous des conditions d’éclairage changeantes.
« Dans nos travaux futurs, nous prévoyons de réduire la taille des actionneurs/photodétecteurs LM afin de diminuer le temps de réponse (répondant aux besoins de la conduite autonome en temps réel), d’optimiser les matériaux électrolytiques/électrodes pour améliorer la stabilité et l’efficacité énergétique des LM, et d’améliorer la photoréponse de la rétine », a déclaré le Dr Bai.
« Nous souhaitons également ajouter davantage de canaux de contrôle LM pour explorer des formes de pupilles animales rares dans des environnements extrêmes, intégrer l’imagerie couleur/multispectrale dans la rétine et combiner l’APR avec la détection tactile/de mouvement pour une perception bio-inspirée multimodale. »
Dans le cadre de leurs prochaines études, les docteurs Liang, Zhu et Bai prévoient de concevoir des stratégies plus efficaces pour fabriquer l’œil artificiel, tout en essayant d’en réduire la taille.
Parallèlement, ils espèrent prochainement intégrer leur système de vision à d’autres composants ou l’ajouter à des appareils, robots ou véhicules existants, afin d’évaluer son potentiel pour diverses applications concrètes.
« Nous allons développer des systèmes APR monolithiques intégrés par microfabrication pour la miniaturisation, intégrer des modules microélectroniques/sans fil basse consommation pour une utilisation portable et effectuer des tests en conditions réelles (robots autonomes/véhicules ADAS) », ont ajouté les chercheurs.
« De plus, nous souhaitons explorer de nouveaux matériaux 2D/pérovskite pour la rétine et des composites polymères LM pour les actionneurs, et concevoir des algorithmes SNN adaptés aux signaux de pointe du système afin d’améliorer encore les capacités de reconnaissance. »
https://techxplore.com/news/2026-03-liquid-metal-pupil-artificial-eye.html
