Les mouches des fruits sont une source majeure d’inspiration en robotique

Les chercheurs du Laboratoire de neuro-ingénierie d’EPFL, dirigé par Pavan Ramdya, visent à reproduire le fonctionnement du cerveau de la mouche des fruits commune, Drosophila melanogaster. EPFL a parlé avec Ramdya des perspectives passionnantes de la robotique.

À l’écran, blanc sur fond noir, une mouche est amplifiée des milliers de fois et marche calmement sur une surface sphérique sur ses six jambes. « Regardez, dans une seconde, ça fera le Moonwalk. » Nous sommes au cœur du Laboratoire de neuro-ingénierie EPFL avec Pavan Ramdya, chef du laboratoire, et chercheur postdoctoral, MAITE AZCORRA. Elle brille de minuscules impulsions focalisées de lumière laser à la mouche en utilisant une technique connue sous le nom d’optogénétique, qui utilise la lumière pour activer des neurones spécifiques. Comme sur le commandement, la mouche retire ses jambes vers l’arrière. Et ça ressemble à une danse.

Le groupe de recherche de 14 personnes de Ramdya étudie le système nerveux de ces insectes de 2 millimètres depuis 2017. « MAITE étudie actuellement comment les neurones qui descendent des fonctions motrices de contrôle du cerveau », explique Ramdya. Le groupe espère éventuellement inverser le cerveau de la mouche et le modéliser pour la robotique.

Un pas en avant majeur a été le développement d’un jumeau numérique que les chercheurs peuvent utiliser pour simuler avec précision les comportements d’une mouche; Un autre était une percée importante dans la compréhension de la façon dont les réseaux de neurones transforment les signaux cérébraux en mouvements coordonnés. EPFL s’est assis dans le bureau du neuroscientifique d’origine de New York pour parler de son travail.

Pouvez-vous décrire l’idée générale derrière votre programme de recherche?

Les humains essaient depuis des siècles pour construire des machines qui peuvent se comporter comme des animaux ou des personnes. Dans la Grèce antique, par exemple, les marionnettes automatisées étaient assez courantes – c’étaient des objets simples, mais ils étaient déjà une forme de biomimétique, en ce qu’ils imitaient comment un corps réel se déplace. C’est la même idée que nous poursuivons ici, sauf que nous utilisons des méthodes et des systèmes beaucoup plus avancés qui peuvent vraiment bio-imiques comme la mouche des fruits.

Pourquoi étudiez-vous spécifiquement Drosophila Melanogaster?

Il y a bien sûr des animaux plus compliqués, comme les mammifères, mais ils sont plus difficiles à étudier. Et il y en a des plus simples comme C.Elegans, un ver avec seulement environ 300 neurones (les mouches en ont environ 100 000 et les humains ont environ 86 milliards), mais nous ne pouvons pas en apprendre autant sur le comportement de leur part. Contrairement aux vers, les mouches ont des jambes, et ils font beaucoup avec eux – parcourent, se nettoient, manipulent des obstacles et plus encore.

Il est beaucoup plus intéressant pour les applications en robotique et en neuroprothétique de savoir comment fonctionne une créature avec des ailes et des jambes. Ce sont des spécimens parfaits de cette perspective: assez simple pour étudier, mais assez complexe pour offrir de nombreuses informations.

Dans votre récent discours TEDX, vous avez dit que dans le futur, les robots explorent et colonisent les nouvelles planètes pourraient ressembler beaucoup à ces mouches.

Oui, robots pour exploration spatiale devra accomplir de nombreuses tâches par eux-mêmes et prendre des décisions de manière autonome tout en se déplaçant dans des environnements hostiles inconnus. Les ingénieurs travaillent à construire de tels robots depuis des décennies, mais pour l’instant, même les machines les plus sophistiquées n’ont nulle part près de l’agilité de la mouche des fruits.

Les mouches peuvent faire des choses incroyables. Non seulement ils peuvent voler, mais ils sont également extrêmement stables en raison de leurs six jambes. Ils peuvent se déplacer dans les trois dimensions tout en effectuant d’autres tâches avec leurs jambes. Ils sont une source d’inspiration majeure!

Comment le travail que vous effectuez pourrait influencer le développement de la robotique et de l’IA?

De nombreux ingénieurs travaillent sur le côté matériel des robots, par exemple, les batteries et les moteurs. Ce n’est pas notre objectif. Nous cherchons à concevoir leurs contrôleurs. Avec l’idée de développer une mouche robotique, notre principal point d’intérêt est de comprendre comment il peut contrôler ses membres. C’est pourquoi nous étudions le système nerveux de la mouche des fruits – pour obtenir des informations qui nous aideront à développer réseaux neuronaux qui peut être utilisé en robotique et en IA.

Je soulignerais également que les robots utilisant ces contrôleurs n’ont pas besoin de la taille d’une mouche. Tant qu’il est mis à l’échelle de manière appropriée, ils peuvent être n’importe quelle taille, même aussi grosses qu’une maison, bien que ce soit un peu effrayant!

Mais votre recherche comprend également d’autres aspects.

C’est exact. Une caractéristique unique des mouches est que leurs jambes sont recouvertes de capteurs mécaniques. Comment les mouches utilisent-elles toutes les informations qu’ils collectent pour comprendre leur environnement et détecter les objets autour d’eux? Comment décident-ils quand soulever une ou plusieurs de leurs jambes sur des obstacles?

Ce sont les types de questions auxquelles nous voulons répondre. Et pour ce faire, nous essayons de développer des matériaux modélisés à la cuticule de mouche avec des capteurs intégrés qui peuvent être utilisés dans les robots.

De nombreux experts en robotique et en IA ont déclaré que pour créer des machines, véritablement capables d’apprendre, les machines doivent avoir des corps qui peuvent se déplacer et explorer leur environnement.

Oui, c’est une théorie centrale détenue par des scientifiques étudiant la neurobiologie et le comportement. Et cela devrait également être une théorie centrale dans l’IA, car les animaux peuvent se comporter de manière plus flexible que les robots. Les ingénieurs travaillant dans l’apprentissage automatique soulignent souvent que les bébés humains se déplacent constamment et touchent les choses, explorant leur environnement pour en savoir plus sur le monde qui les entoure.

Ce processus est beaucoup plus efficace que si nous leur présentons des vidéos de leur environnement. Les capteurs que j’ai mentionnés plus tôt – ceux-ci sur les mouches – servent également cet objectif.

Quels sont actuellement les plus grands obstacles pour le développement de systèmes qui peuvent apprendre en explorant leur environnement?

Un obstacle consiste à créer des algorithmes qui peuvent traiter les données sensorielles. S’ils ne peuvent pas contextualiser ces données, il serait très difficile pour les machines d’apprendre les comportements appropriés. Il est important de souligner que la solution existe – elle est juste cachée dans les systèmes nerveux des animaux. C’est ce que nous essayons de découvrir. Au lieu de passer des décennies à tenter de concevoir une solution à partir de zéro, pourquoi ne pas regarder ce qui existe déjà dans les mouches?

Cela sera-t-il nécessairement une approche plus facile et plus rapide?

Ce dont nous aurons probablement besoin, c’est d’une combinaison d’approches différentes. D’autant plus que les animaux ont beaucoup de contraintes et d’objectifs qui ne sont pas pertinents pour nos fins. Par exemple, les robots n’ont pas besoin de se reproduire ou de déféquer.

C’est pourquoi nous devons également inclure des biologistes dans notre travail et pas seulement des ingénieurs. Ils sont mieux à même de savoir quelles parties d’un organisme que nous pouvons ignorer, comme les neurones utilisés pour évacuer les aliments, afin que les ingénieurs ne se concentrent pas sur eux. Un approche interdisciplinaire est essentiel pour le travail que nous faisons.

L’objectif est-il éventuel de cartographier le cerveau humain?

Je vais devoir vous donner une réponse égoïste: pour moi, personnellement, ce n’est pas mon objectif. J’ai environ 40 ans de plus à vivre si j’ai de la chance, et j’aimerais vraiment voir des percées majeures de ma vie qui pourraient montrer comment les systèmes biologiques fonctionnent. Cela semble possible avec la mouche des fruits, mais ce serait beaucoup plus compliqué pour le cerveau humain.

C’est peut-être juste une question d’échelle – peut-être que nous devons simplement prendre le cerveau d’une mouche et le multiplier par un million. Cela pourrait nous donner quelque chose d’intelligent et serait certainement très intéressant. Mais je ne suis pas sûr que cela capturerait l’intelligence humaine. Je ne pense pas que nous puissions utiliser exactement la même approche pour le cerveau humain que pour la mouche des fruits, car cela prendrait trop de temps.

En quoi votre approche des neurosciences est-elle différente de celle des autres neuroscientifiques?

En neurosciences, je dirais que plus de 99% des personnes travaillent sur des sujets liés à la santé humaine et à la médecine. La plupart des études qui examinent comment les neurosciences peuvent éclairer le traitement d’une maladie, par exemple, sont réalisées à l’aide de souris ou de rats, car ce sont des mammifères comme nous. Je pense que ce que fait notre groupe de recherche peut changer les perspectives des gens de deux manières.

Tout d’abord, nous examinons les neurosciences non seulement en termes de santé humaine, mais plutôt dans la façon dont elle peut être appliquée en robotique pour construire des machines de nouvelles façons. Et deuxièmement, nous attirons l’attention sur la plus petite fraction des neuroscientifiques étudiant les insectes.

Nous devons garder à l’esprit que de nombreux insectes de notre planète sont menacés. Regardez les abeilles et le rôle important qu’ils jouent dans la pollinisation. C’est un problème critique. Les mouches des fruits ne sont pas une espèce menacée mais elles peuvent donner un aperçu de celles qui sont, aidant à soutenir les efforts de conservation. Cela peut encourager les gens à voir le monde d’une perspective plus écosystémique et à apprécier la contribution vitale apportée par la biodiversité.