29 notions-clefs : les robots

Auteurs : Travail collectif(plus d'infos)
Résumé :
Que ce soit pour tester des connaissances mathématiques, des mécanismes physiques, des principes biologiques ou tout simplement pour se distraire, savants et artistes ont rivalisé au cours des siècles et sur tous les continents pour construire des machines imitant le vivant. Document d'Agnès Guillot issu de l'ouvrage "29 notions clefs pour savourer et faire savourer la science - primaire et collège", paru aux éditions Le Pommier en août 2009.
Copyright :
Publié avec l'aimable autorisation des éditions Le Pommier.

 

Le premier samedi du monde, dit la Genèse, le Créateur façonna l’Homme. Depuis, ce dernier n’a eu de cesse que de jouer au Créateur…
Que ce soit pour tester des connaissances mathématiques, des mécanismes physiques, des principes biologiques ou tout simplement pour se distraire, savants et artistes ont rivalisé au cours des siècles et sur tous les continents pour construire des machines imitant le vivant.
Jusqu’au XXe siècle, ces machines n’étaient « que » des automates qui ne disposaient, pour se comporter, que de l’équivalent de nos organes moteurs. Ce type de machine se rencontre encore souvent dans nos usines actuelles : un automate peut peindre parfaitement une voiture, à condition que son concepteur ait très exactement prévu tous ses mouvements, compte tenu de la position de ladite voiture. Que celle-ci vienne à se déplacer… et l’automate persistera à peindre au même emplacement, car il n’a aucun moyen de se rendre compte que la voiture a bougé ! Un robot, lui, pourra résoudre ce problème. Comme un automate, il a des organes moteurs, mais il possède en plus l’équivalent de nos organes sensoriels. Même très frustes, des capteurs de luminosité, de sons ou de chocs pourront le renseigner sur ce qui se passe dans son environnement et il sera ainsi capable de modifier son comportement en fonction des événements perçus. Contrairement à l’automate-peintre, un robot-peintre muni d’une caméra pourra détecter le déplacement de la voiture et réajuster ses projections de peinture.
Depuis le début du XXe siècle, les robots supplantent les automates tant ils ont des potentialités prometteuses.

Des automates aux premiers robots

Quelques automates célèbres : réalités et légendes

Dès l’Antiquité sont apparues des inventions mimant les créatures vivantes. Déjà, dans la mythologie, on rapporte que, quatorze siècles avant notre ère, Dédale – l’architecte crétois du labyrinthe où fut enfermé le monstre Minotaure – avait conçu des statues mobiles, animées par du mercure, qui pouvaient se mouvoir devant ce labyrinthe pour en garder l’entrée. À une date assez indéterminée, plus d’un siècle après J.-C., le mathématicien grec Héron d’Alexandrie avait réellement réalisé de petits théâtres sur la scène desquels évoluaient, grâce à des dispositifs hydrauliques et à vapeur, des personnages animaux et humains. Beaucoup plus tard, vers 1200, l’ingénieur al-Jaziri fabriquait pour le sultan Nasir ad-Din Mahmud des horloges agrémentées d’automates mécaniques déjà très sophistiqués. Léonard de Vinci ne manqua pas d’ajouter à la longue liste de ses inventions – sans toutefois le réaliser – le premier androïde qui pouvait coordonner les mouvements de ses bras, bouger la tête et ouvrir la mâchoire à l’aide d’un programme mécanique qui actionnait ses multiples articulations. Ce catalogue succinct des créatures artificielles conçues au fil des siècles serait incomplet si les automates du XVIIIe siècle n’y étaient évoqués, comme les automates musiciens et dessinateurs des horlogers suisses Jaquet-Droz, ou comme le fameux canard construit par le mécanicien et horloger français Jacques de Vaucanson, qui caquetait, mangeait, digérait et même… restituait les produits de sa digestion par une voie « naturelle ».
Ces derniers savants ont principalement considéré leurs automates comme des machines destinées à mettre en oeuvre et à expérimenter leurs connaissances. Mais la légende raconte que, par leur imitation du vivant, certaines créatures ont parfois débordé de leur cadre technique pour inspirer de forts sentiments d’affection – comme l’automate Francine du philosophe Descartes, qu’il aurait fait construire pour remplacer sa fille disparue – ou de crainte – comme l’androïde de bois qu’avait façonné le dominicain Albert le Grand et qui a été fracassé par Thomas d’Aquin, trop effrayé lorsqu’il l’a vu le saluer poliment…

Des robots intelligents et des robots « bêtes »

Comme on l’a vu plus haut, les robots sont des systèmes artificiels à la morphologie très variable et dotés d’organes sensoriels – les capteurs – et d’organes moteurs – les actionneurs. Comme chez un être vivant, un « système nerveux » connecte ces différents organes entre eux afin que ces machines puissent mettre en activité leurs actionneurs en fonction des informations transmises par leurs capteurs. Ce cerveau, appelé architecture de contrôle, et qui permet au robot de réaliser différentes actions en réagissant à son environnement (voir page suivante), est en fait une carte électronique contenant les instructions d’un programme informatique qui déterminent les détails des connexions entre capteurs et actionneurs.
Le premier robot dont on ait eu connaissance est le « chien électrique » des ingénieurs américains John Hammond et Benjamin Miessner, construit en 1912. Quoique n’ayant pas une apparence canine, cette machine suivait comme un petit chien un homme marchant avec une lampe électrique à la main : ses capteurs de luminosité étaient reliés aux moteurs de ses roues de telle façon qu’elle se dirigeait vers la source lumineuse. Un journal de l’époque s’enthousiasma en lui prêtant une « intelligence presque surhumaine ». Ce qualificatif, quelque peu usurpé, traduisait l’étonnement des spectateurs devant une machine qui se comportait d’une manière « naturelle », radicalement différente des mouvements mécanisés des automates précédents.
Quelques autres robots de ce type virent le jour dans les années qui suivirent mais, en 1956, l’avènement de l’intelligence artificielle changea radicalement les objectifs des roboticiens. Encouragés par l’invention de l’ordinateur, qui semblait présenter des similitudes avec le cerveau humain, ces chercheurs pensèrent pouvoir concevoir des machines dont l’intelligence serait comparable à celle d’un être humain. Après de très intéressantes réalisations, comme des machines capables de résoudre des problèmes mathématiques complexes, de raisonner logiquement, de réaliser des expertises ou de jouer aux échecs, ils s’aperçurent qu’elles avaient de sérieuses limites. En intégrant les programmes informatiques réalisant ces prouesses à des robots, ces derniers étaient en effet incapables de résoudre des problèmes qui semblaient pourtant très simples – comme se mouvoir sur un terrain, éviter des obstacles, reconnaître un objet, s’orienter dans un environnement ou enchaîner leurs actions efficacement – et qui se révélaient indispensables pour qu’ils soient performants. Bref, tous les comportements qui paraissaient si évidents à réaliser pour un humain, bien plus que de jouer aux échecs, avaient été omis du répertoire comportemental des robots. Pourtant, ces activités sont les primitives de toute intelligence : les stratégies les plus ingénieuses aux échecs s’avèrent impuissantes si le joueur ne sait pas auparavant reconnaître les cases noires et blanches de l’échiquier, détecter le fou parmi les pions ou le prendre et le placer au bon endroit.
C’est ainsi qu’une nouvelle approche de la robotique a vu le jour, nommée approche animat (animat étant la contraction d’« animal artificiel »). Née il y a une vingtaine d’années, elle a proposé de revenir à des objectifs plus modestes et incité les chercheurs à équiper d’abord leurs robots de ces comportements basiques réalisés par la plupart des animaux, dont l’homme, avant d’espérer les pourvoir d’un intellect « humain ».

La recherche en robotique

La conception de robots peut être envisagée afin de remplacer les hommes dans les tâches répétitives, pénibles ou dangereuses. C’est le sens même du terme « robot », inventé en 1921 par l’écrivain Karel Cˇapek à partir du tchèque robota, signifiant « travail forcé ». Ce domaine est celui de la recherche appliquée, qui vise à rendre efficace une machine en vue d’une tâche bien précise.
La conception de robots peut aider également à comprendre le comportement des organismes vivants. C’est le domaine de la recherche fondamentale : il s’agit de déterminer quels processus amènent un système, naturel ou artificiel, à se comporter le plus efficacement possible et de façon autonome. Ces concepteurs iront parfois puiser leur inspiration auprès des biologistes et des spécialistes du comportement animal et humain. En retour, le comportement des robots pourra donner des pistes pour de nouvelles recherches dans ces différents domaines du vivant (voir ci-dessous). Recherches fondamentale et appliquée sont en étroite interaction, elles s’enrichissent l’une l’autre du fruit de leurs réalisations respectives.

Comment les robots peuvent apporter des solutions aux éthologues

Dans une fourmilière, on remarque l’existence de « cimetières » : les fourmis récupèrent régulièrement les cadavres – gisant n’importe où dans la fourmilière – pour les rassembler en tas. Ce comportement semble complexe, car on pourrait supposer que les fourmis ont l’« intention » de faire des tas et qu’elles « se concertent » pour décider d’entasser les cadavres dans des endroits précis.
Des roboticiens ont proposé une solution beaucoup plus simple, qui permet d’écarter toute hypothèse d’un comportement aussi « intelligent », peu en rapport avec les capacités du système nerveux d’une fourmi. Ils ont supposé que les fourmis pouvaient réaliser cet exploit sans avoir besoin d’une vision globale de la fourmilière, sans savoir ce qu’est un tas, et sans communiquer avec leurs congénères. Elles pourraient réaliser ce comportement en possédant les deux seules règles comportementales suivantes :
En se déplaçant au hasard dans la fourmilière,

  • Règle n° 1 : avoir d’autant plus tendance à prendre un cadavre qu’il y en a peu dans leur champ de vision ;
  • Règle n° 2 : avoir d’autant plus tendance à poser un cadavre qu’il y en a beaucoup dans leur champ de vision.

Par exemple, s’il y a moins de deux cadavres dans son très étroit champ de vision, une fourmi va prendre l’un des cadavres. Si elle en voit toujours aussi peu en continuant sa route, elle n’en prendra pas d’autre, mais n’aura pas tendance à poser celui qu’elle tient déjà. Elle ne le posera que lorsque plus de deux cadavres apparaîtront dans son champ de vision.
Lorsque plusieurs robots, dotés chacun d’une vue très courte et de ces deux simples règles de comportement, sont placés dans un environnement où ont été répandus au hasard des centaines de petits objets, on constate, au bout de quelques heures, que des tas se sont formés.
Par cette expérience, les roboticiens n’avaient pas l’intention de prouver aux spécialistes des fourmis que celles-ci possédaient forcément ces deux règles comportementales pour organiser des cimetières. Ils ont simplement permis de démontrer qu’il n’est pas nécessaire d’évoquer des opérations mentales très complexes pour que des animaux aient des comportements compliqués.
Ils ont également mis en évidence la notion d’intelligence collective, qui implique que des individus ayant chacun des compétences très limitées peuvent être capables d’avoir collectivement des compétences élevées. On en démontre de très nombreux cas, notamment dans les sociétés d’insectes. La construction d’une ruche par les abeilles – qui n’ont chacune que des réflexes très simples et n’ont pas d’architectes – en est un exemple typique.

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