Les robots, comme les animaux, peuvent s’adapter après des blessures

Les nageoires des poissons et les ailes des insectes sont des pièces d’ingénierie naturelle étonnantes, capables de déplacer efficacement leurs propriétaires dans l’eau ou dans les airs. Les créateurs de machines pour nager ou voler se sont longtemps inspirés des animaux pour concevoir des avions avec des ailes et des bateaux avec des gouvernails en forme d’ailerons. Au cours des dernières décennies, des chercheurs du Caltech et d’ailleurs ont exploré l’ingénierie bioinspirée pour voir si d’autres formes de mouvement naturel pourraient éclairer l’ingénierie mécanique.

« Des stratégies compensatoires bio-inspirées pour les dommages causés aux propulseurs robotiques battants » a été publié dans le numéro du 3 juillet de la revue Interface du Journal de la Royal Society.

De nombreux animaux se servent des battements d’ailes comme moyen de propulsion, et les robots équipés de battements d’ailes peuvent également se propulser efficacement. Mais les battements d’ailes du règne animal, en l’occurrence les poissons et les insectes, ont un autre tour dans leur sac. Même avec des ailes ou des nageoires endommagées, ces animaux peuvent adapter la mécanique de leurs mouvements pour compenser. Certaines espèces de poissons peuvent survivre avec jusqu’à 76 % de leurs nageoires endommagées et être toujours capables de nager.

Un robot à clapet pourrait-il réaliser le même exploit ? C’est la question qui a inspiré une étude dans le laboratoire de Mory Gharib (Ph.D. ’83), professeur Hans W. Liepmann d’aéronautique et d’ingénierie médicale, directeur et titulaire de la chaire Booth-Kresa Leadership du Center for Autonomous Systems and Technologies (CAST) et directeur des Graduate Aerospace Laboratories de Caltech.

Gharib, en collaboration avec Meredith Hooper, étudiante diplômée en aérospatiale, et Isabel Scherl, chercheuse postdoctorale en génie mécanique et civil, ont analysé les mouvements d’un robot battant des ailes dans un réservoir d’huile, qui permet des mesures plus précises que l’eau en raison de son rapport signal/bruit. Ils ont ensuite amputé une partie du batteur du robot.

Apprentissage automatique pour l’adaptation de la propulsion

Sans intervention, le robot continuerait à se débattre inutilement dans le bassin, ayant perdu sa capacité à nager. Mais en plus de la propulsion bioinspirée, les chercheurs ont également doté le robot d’une adaptation bioinspirée. Après une blessure, les poissons et les insectes tentent de se propulser de nouvelles façons, en expérimentant jusqu’à ce qu’ils trouvent la mécanique de nage qui leur permette de retrouver une activité complète.

Pour imiter ce procédé, le robot a été programmé pour effectuer des essais répétés de diverses mécaniques de course, qui ont ensuite été évalués par apprentissage automatique. Finalement, le robot, tel un poisson ou un insecte blessé, a réussi à obtenir une forme alternative de propulsion avec son clapet endommagé, même lorsque 50 % de celui-ci a été retiré.

« Le robot essaye de nager de 10 manières différentes », explique Hooper. « Les forces qu’il exerce pendant qu’il nage dans le réservoir de pétrole sont mesurées afin que nous puissions comparer à la fois la production de force et son efficacité. L’algorithme d’apprentissage automatique sélectionne les meilleures trajectoires candidates en fonction de la façon dont elles produisent la force souhaitée. L’algorithme propose ensuite un autre ensemble de 10 trajectoires inspirées de l’ensemble précédent.

« Ce processus d’apprentissage se répète – évaluation, modification et création – jusqu’à ce que les meilleurs candidats soient tous plus ou moins les mêmes, ayant appris le mouvement de nage le plus efficace pour une production de force donnée. »

Adaptation de la propulsion en pratique

Un robot autonome n’est autonome que jusqu’à ce qu’il ne le soit plus, en raison d’un dommage ou d’un dysfonctionnement. En dotant les mécanismes robotiques de la capacité de s’adapter aux changements de capacités grâce à l’apprentissage automatique, la portée de leur autonomie est augmentée.

Comme le dit Hooper, « les véhicules sous-marins autonomes (AUV) qui fournissent des informations cruciales sur le fonctionnement de nos océans (ce qui existe dans les profondeurs marines, la façon dont les activités humaines perturbent la dynamique océanique) sont très coûteux à construire et à déployer. Si le système de propulsion d’un AUV tombe en panne dans une zone inaccessible sans ce moyen d’adaptation, il devient essentiellement un déchet océanique. Notre découverte devrait augmenter la probabilité qu’un AUV puisse mener à bien sa mission et être récupéré. »

« L’adaptabilité grâce à l’apprentissage automatique peut également améliorer le fonctionnement des micro-véhicules aériens (MAV) qui peuvent naviguer dans de petites brèches dans un terrain complexe lors de scénarios d’intervention d’urgence tels que la recherche de personnes coincées à la suite d’un tremblement de terre. Ce type de terrain augmente la probabilité que le MAV soit endommagé pendant sa recherche. Notre découverte pourrait rendre les MAV plus robustes pour un déploiement dans des environnements difficiles où les dommages pourraient être fréquents », explique Hooper.

Bien que le robot expérimental et les animaux vivants puissent modifier leur mécanique de battement pour s’adapter aux dommages, ils n’opèrent pas les mêmes modifications. Théoriquement, dans tous les cas, les nageoires ou les ailes devraient changer à la fois d’amplitude et de fréquence pour obtenir une propulsion optimale après un dommage. Mais la plupart des études sur les poissons dont les nageoires sont endommagées montrent que les poissons augmentent l’amplitude mais pas nécessairement la fréquence de leurs battements pour compenser, alors que le robot a modifié les deux.

« Cela est probablement dû à l’effet des pressions évolutives sur les poissons et les insectes, qui ne sont pas pertinentes pour un cas d’utilisation robotique », explique Hooper. « La façon dont les robots battants s’adaptent le mieux aux dommages ne reproduit pas nécessairement la nature. »