Des ingénieurs de l’Université Northwestern ont développé les premiers robots modulaires dotés d’intelligence athlétique. Ils peuvent être combinés et recombinés en pleine nature, se remettre de blessures et continuer à avancer peu importe ce qui leur arrive.
Appelées « métamachines à pattes », ces créations sont constituées de modules autonomes, semblables à des Lego, qui s’assemblent en un nombre infini de configurations. Chaque module est à lui seul un robot complet avec son propre moteur, sa batterie et son ordinateur. Seul, un module peut rouler, tourner et sauter. Mais l’agilité et l’indestructibilité réelles émergent lorsque les modules se combinent.
Pour concevoir les combinaisons les plus efficaces, les ingénieurs ont utilisé l’intelligence artificielle (IA) pour faire évoluer de nouvelles configurations corporelles. Au lieu de s’en tenir aux designs standards de chiens ou d’humains, l’IA a généré d’étranges nouvelles « espèces » de machines qu’aucun ingénieur humain n’aurait pu imaginer. Une fois connectés à d’autres modules, les métamachines ondulent comme des phoques, bondissent comme des lézards ou jaillissent comme des kangourous.
Les robots peuvent aussi se redresser lorsqu’ils sont renversés, sauter par-dessus des obstacles et réaliser des acrobaties comme des vrilles en l’air. Parce qu’une métamachine est essentiellement un robot constitué d’autres robots, elle peut résister à des dommages catastrophiques. Les parties cassées ne deviennent pas un poids mort ; elles continuent à rouler, à ramper et à réintégrer l’équipe.
En combinant la modularité physique avec une conception pilotée par l’IA, les chercheurs ont ouvert la porte à une nouvelle classe de robots qui ne font pas que survivre dans le monde réel — ils s’y adaptent. Ces machines pointent vers un avenir où les robots ressembleront moins à des outils fragiles et préconçus, et plus à des formes de vie résilientes et évolutives.
« Ce sont les premiers robots à poser le pied en extérieur après avoir évolué à l’intérieur d’un ordinateur , a déclaré Sam Kriegman de Northwestern, qui a dirigé l’étude. « Ils sont assemblés rapidement et se mettent littéralement à courir dès qu’ils touchent le sol. Ils peuvent se déplacer librement dans la nature et se remettent facilement de blessures majeures qui seraient fatales à tout autre robot sauvage. Si on les renverse, ils se redressent instinctivement et poursuivent leur chemin. Ils survivent à une coupure en deux ou à être découpés en plusieurs morceaux. Une fois séparés, chaque module de la métamachine peut devenir un agent individuel. »
Expert en biorobotique et IA, Kriegman est professeur adjoint en informatique, ingénierie mécanique et ingénierie chimique et biologique à la McCormick School of Engineering de Northwestern, où il est membre du Center for Robotics and Biosystems (CRB). Les co-premiers auteurs de l’étude sont Chen Yu, David Matthews et Jingxian Wang, tous doctorants au CRB.
Une évolution accélérée par ordinateur
Si les robots d’aujourd’hui peuvent être rapides et agiles, leurs formes corporelles sont souvent fixes et rigides. La plupart des robots ne peuvent pas s’adapter à de nouvelles tâches, environnements ou dommages physiques. Si un chien robotique casse une patte, par exemple, il devient pratiquement inutile. Pour échapper à ces limitations, l’équipe de Kriegman s’est tournée vers l’IA — non pas pour copier des designs familiers, mais pour faire évoluer quelque chose de totalement nouveau.
Kriegman et son équipe ont commencé avec un algorithme évolutionnaire qui imite la sélection naturelle. Comme point de départ, l’équipe a donné à l’algorithme les éléments de base du robot. Ces éléments de base sont des jambes modulaires d’un demi-mètre de long, qui ressemblent à une paire de bâtons reliés par une sphère centrale.
« À l’intérieur de la sphère, le robot possède tout ce dont il a besoin pour survivre : un « système nerveux », un « métabolisme » et un « muscle », explique Kriegman. « Par là, j’entends une carte de circuit, une batterie et un moteur. Les modules sont mécaniquement simples. Ils ne peuvent tourner qu’autour d’un seul axe, mais ils sont étonnamment athlétiques et intelligents. »
Ensuite, Kriegman et son équipe ont donné un objectif à l’algorithme : concevoir un robot avec un mouvement efficace et polyvalent. En mélangeant et en associant les modules dans différentes combinaisons, l’algorithme a généré de nouveaux types de corps. Il a ensuite simulé chaque design, conservant les meilleurs et éliminant les plus faibles. Il a aussi « croisé » de nouveaux designs de manière itérative en les combinant ou les mutant. Selon le corps du robot, les jambes modulaires devenaient des jambes, des colonnes vertébrales ou des queues.
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« Nous avons simulé le processus darwinien de mutation et de sélection dans un environnement virtuel et physique, ajoute Kriegman. « C’est la survie du plus apte — accélérée par les ordinateurs et rendue réelle par des blocs de construction modulaires athlétiques. »
Parcourir un terrain accidenté
Pour tester les conceptions, Kriegman et son équipe ont assemblé les meilleurs designs à trois, quatre et cinq pattes trouvés par l’évolution. Lors de tests en extérieur, les métamachines ont traversé un terrain accidenté, incluant du gravier, de l’herbe, des racines d’arbres, des feuilles, du sable, de la boue et des briques irrégulières. Elles ont sauté, tourné sur elles-mêmes et se sont redressées lorsqu’elles étaient renversées — le tout sans configuration complexe ni nouvel apprentissage.
Contrairement aux robots traditionnels qui tombent en panne lorsqu’une seule pièce casse, ces machines peuvent s’adapter, récupérer et survivre. Même lorsqu’une jambe se casse, la métamachine reste résiliente. Les modules s’adaptent à une jambe manquante et continuent de bouger. La jambe manquante, elle aussi, peut rouler pour revenir et réintégrer son équipe.
« Elle peut percevoir son environnement, se déplacer d’un endroit à l’autre, calculer et apprendre , souligne Kriegman. « Les métamachines peuvent être rapidement assemblées, réparées, reconçues et recombinées. Une fois assemblées, elles se déplacent immédiatement à travers une grande variété d’environnements non structurés. »
La nouvelle étude s’appuie sur des travaux antérieurs du laboratoire de Kriegman, où son équipe avait conçu le premier algorithme d’IA capable de concevoir intelligemment des robots à partir de zéro. En compressant des milliards d’années d’évolution en quelques secondes, l’algorithme a réussi à concevoir un petit robot marcheur flexible en quelques secondes. Bien que ces robots ne puissent rien faire de plus que marcher sur une table, ils ont prouvé que l’IA peut faire évoluer instantanément des robots fonctionnels.
« Nos robots précédemment évolués ne pouvaient pas percevoir leur propre corps ou se coordonner , révèle Kriegman. « Mais ils nous ont tout de même beaucoup appris sur le fonctionnement de l’évolution et sur la façon de distiller ces leçons en technologies utiles. L’évolution peut révéler de nouvelles conceptions différentes de ce que les humains étaient auparavant capables d’imaginer, voire au-delà. Nous voulions donc vraiment étudier comment et pourquoi cela fonctionne. La meilleure façon — ou du moins la plus amusante — est de faire évoluer des structures dans des conditions réalistes. »
Article : Agile legged locomotion in reconfigurable modular robots – Journal : Proceedings of the National Academy of Sciences – DOI : Lien vers l’étude
L’étude, « Agile legged locomotion in reconfigurable modular robots », a été soutenue par Schmidt Sciences AI2050 (numéro de subvention G-22-64506) et la National Science Foundation (numéros de subvention FRR-2331581 et FRR-2440412).
Source : Northwestern U.
