Grâce à la forme de son exosquelette, le cafard peut pivoter sur son axe pour surmonter un obstacle. Le robot aussi (Chen Li, UC Berkeley, CC BY-SA)

Tout éblouis que nous sommes par les belles réussites des machines intelligentes, nous en oublierions presque que les défis physiques posés aux IA sont bien plus délicats. Il ne faut donc pas se retenir de célébrer une réussite apparemment bien futile : un robot se déplaçant avec la dextérité d’un cafard.

Un indéniable exploit de la Robotique, que des chercheurs de l’université de Californie à Berkeley ont publié dans la revue Bioinspiration & Biomimetics un article (de 20 pages + une vidéo). Ils y présentent leur “velociroach” (soit veloci-cafard).

 Un robot tout-terrain

Car il n’aura échappé à personne que les systèmes d’intelligence artificielle peuvent résoudre des problèmes avec une rapidité surhumaine mais que, enchâssées dans un corps mécanique et devant négocier avec les obstacles et lois du monde réel, ils se révèlent bien balourds et lents (“leurs ailes de géants les empêchent de marcher“). Le corps est, pour l’informatique, un domaine des plus difficile à conquérir.

C’est dans cette perspective qu’il faut jauger la réussite obtenue par les roboticiens de Berkeley : les chercheurs ont focalisé leurs efforts sur la structure physique d’un robot “tout terrain”, analysant la manière dont les plusieurs insectes se déplacent dans un environnement encombré (par des herbes, des cailloux, etc.). Finalement ce sont les cafards qui ont obtenu leur faveur.

 Le cafard se sert de son exosquelette pour résoudre le problème des obstacles

L’idée était de transférer au corps du robot une partie des compétences usuellement assignés au raisonnement formel des robots : trouver la meilleure forme externe qui évite de surcharger en calculs leur cerveau électronique en quête de stratégies d’évitement et de progression. Ainsi, ils ont utilisé un mécanisme de locomotion très simple, un petit moteur à pattes (avec crochets), dont la seule fonction est de toujours se maintenir en mouvement, sans aucun capteur ni boucle de rétroaction permettant au robot de s’adapter à la situation.

Or, comme l’ont découvert les chercheurs, la “coquille” en forme d’ovoïde convexe du cafard permet à l’insecte de pivoter sur son axe longitudinal de manière automatique durant sa marche entre des obstacles resserrés (voir la vidéo ci-dessous ou ici pour une meilleure définition), sans qu’il ait besoin de modifier le mouvement des pattes. Cette compétence physique naturelle s’est révélée essentielle pour la résolution du problème des obstacles. C’est le type d’invention qui rendra les robots plus dégourdis pour aider les humains dans des terrains encombrés ou pour les secourir.

 Il est plus facile pour les IA de reconnaître un visage que de se mouvoir dans un environnement naturel

Le problème du corps est bien plus difficile à surmonter que certaines compétences abstraites humaines, comme la reconnaissance des images et visages, la compréhension du langage, etc. : comment composer avec les irrégularités et les fluctuations du monde réel, négocier avec la gravité et les autres lois de la physique ? La robotique est aux prises avec le “corps” depuis sa naissance, et la recherche s’est orientée depuis quelques années sur le concept d’ “intelligence corporelle” pour alléger le besoin de calcul.

Par exemple, le chercheur Tad McGeer de l’Université Simon-Fraser (Canada) a montré voici quelques années qu’on peut faire marcher sur un plan légèrement incliné un objet sans utiliser ni moteur, ni capteurs ni calculs : une structure physique bien construite peut, à l’aide des lois de la gravité, remplacer avantageusement un module IA dédié à la marche (vidéo du “marcheur passif” ci-dessus).

Román Ikonicoff          

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C’est chez le ver C. elegans que les chercheurs ont trouvé la première boussole biologique (Crédit : Marumaya)

Cela faisait des décennies qu’on le cherchait. Quoi ? Le senseur de champ magnétique terrestre censé orienter certains animaux, comme l’oie, la tortue, le loup, le pigeon. Et il a été découvert dans… la tête d’un ver. Une double surprise pour les biologistes de l’université du Texas à Austin, qui déterrent ainsi la première boussole biologique.

Si la découverte devrait grandement éclaircir la manière dont certains êtres vivants s’orientent géo-spatialement selon les lignes du champ magnétique terrestre, les chercheurs pensent déjà à des applications plus terre à terre, dans l’agriculture par exemple.

Le champ magnétique au bout du neurone

C’est un neurone nommé AFD dont la terminaison a une drôle de forme – entre l’antenne radio et un aigle en ombre chinoise – qui rendrait les vers C. elegans capables de s’orienter alors qu’ils sont enfouis sous la terre. De fait les vers qui cherchent de la nourriture ont tendance à s’enfoncer dans la terre vers le bas. Mais les chercheurs ont réussi à berner les vers : ils en ont fait venir au laboratoire d’Hawaii, d’Angleterre et Australie, et ont constaté que selon leur lieu de provenance ils ne suivaient pas nécessairement le chemin descendant : par exemple, des vers transportés depuis l’Australie cherchaient même à “creuser” la terre… vers le haut.

Le neurone senseur de champ magnétique de C. elegans (Crédit : Andrés Vidal-Gadea)

En revanche, comparés aux lignes de champ magnétique local de leur région d’origine, leur orientation de creusement était bien dirigée vers le bas. Aussi, les chercheurs ont conclu que chaque ver syntonise son capteur de champ magnétique en fonction de son lieu d’habitation afin de toujours creuser vers le bas. Les chercheurs ont également modifiés génétiquement certains individus afin de désactiver le neurone AFD : ceux-ci étaient alors incapables de s’orienter normalement.

Le mariage du mécanique et du biologique

A l’instar de l’horloge biologique dont nous avons parlé ici même, la “boussole intérieure” passionne les chercheurs d’autant qu’aucun dispositif de ce type n’avait jusqu’ici été identifié clairement. De fait, les dispositifs biomécaniques forgés par les lois statistiques de l’évolution, soit la sélection naturelle des organismes qui se multiplient le mieux, attirent particulièrement les scientifiques car ils réalisent mieux que les ingénieurs le mariage entre le mécanique et le vivant – qui pourrait inspirer les ingénieurs.

Dessin représentant la forme du neurone senseur de champ magnétique (à droite, son aspect avec produits de contraste)

Dans tous les cas, la découverte de cette première boussole biomécanique ouvre la voie à l’identification des mécanismes d’orientation magnétique dans les autres espèces. Sans compter que les chercheurs voient également dans leur découverte une application bien plus terre-à-terre : la protection des terres agricoles contre des animaux ravageurs à l’aide de champs magnétiques artificiels qui les désorienteraient…

Román Ikonicoff

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• Vision nocturne : le tour de passe-passe de l’ADN – S&V n°1103 – 2009 – Avoir un bon éclairage, c’est bien… Mais dans l’obscurité, la vue est capable de prouesses impressionnantes, en particulier chez les mammifères nocturnes : la vision de nuit. Des chercheurs ont réussi à comprendre comment l’évolution a façonné cette aptitude, qui sollicite l’ADN des cellules visuelles.

• Oiseaux migrateurs et cartes génétiques – S&V n°887 – 1991 – Retour sur la découverte des bases génétiques du sens de l’orientation : de véritables cartes mémorisées dans les gènes au cours de l’évolution, surtout sur les espèces migratrices.

Année après année, les appareils photographiques numériques deviennent de plus en plus sensibles. Leurs capteurs d’images, un CCD (Charged Coupled Device) ou un CMOS (Complementary Metal Oxide Semi conductor) sont désormais capables, avec leur sensibilité ISO croissante, d’offrir des images de bonne qualité dans la pénombre, au crépuscule, et même… la nuit. Dans un précédent billet, j’expliquais comment photographier facilement des paysages nocturnes, simplement éclairés par la Lune ou les étoiles… C’était en 2010, et depuis, les boîtiers numériques ont tellement progressé qu’il est désormais possible de photographier directement, sans télescope, étoiles, nébuleuses et galaxies…

Les images illustrant cet article ont été réalisées avec un boîtier Nikon D 4 et un objectif de 300 mm de focale, ouvert à F/4. L’ensemble était monté sur un pied photo, et l’utilisation de l’intervallomètre intégré au boîtier a facilité les prises de vue. Photo S.Brunier.

Bien sûr, il n’est pas question d’affirmer ici que les astronomes, amateurs ou professionnels, n’ont plus besoin de la fabuleuse puissance des télescopes pour explorer l’Univers, mais simplement que cet été, si vous passez vos vacances à la campagne ou à la montagne, sous un ciel pur, suffisamment éloigné de la pollution lumineuse des agglomérations, vous pourrez facilement enregistrer la lumière d’étoiles, de nébuleuses et de galaxies invisibles…
La photographie astronomique, depuis ses débuts voici plus d’un siècle et demi, est confrontée à une double injonction contradictoire : d’une part, les astres brillent d’un très faible éclat, d’autre part le ciel bouge… Or le seul moyen pour un photographe d’enregistrer l’image d’un objet faiblement lumineux consiste à allonger le temps de pose. Comment faire, si l’objet photographié est en mouvement ?

Cette photographie de l’amas d’étoiles M 13 d’Hercule a été réalisée dans la campagne française, avec un boîtier 24 x 36 réglé à 12 800 ISO et son objectif de 300 mm de focale fermé à 5,6. Cette image résulte de l’addition de 300 poses de 1 seconde chacune. L’addition a été réalisée avec le logiciel Deep Sky Stacker, et l’image finale a été traitée avec Photoshop. L’amas d’Hercule se situe à vingt deux mille années-lumière de la Terre. A gauche de l’amas, apparaît la galaxie NGC 6207, distante de cinquante millions d’années-lumière… Photo S.Brunier.

Ce mouvement n’est qu’apparent, bien sûr : il s’agit de la rotation apparente du ciel, en 24 heures, due à la rotation de la Terre sur elle-même. Pour corriger ce mouvement apparent – un degré toutes les quatre minutes – les astronomes ont inventé au début du XIX e siècle la monture équatoriale, un mouvement d’horlogerie mécanique tournant en sens inverse de la rotation terrestre, et permettant, à condition qu’elle soit bien réglée, c’est à dire que son axe de rotation soit parallèle à l’axe de rotation de la Terre, de suivre plus ou moins précisément l’astre observé…
C’est cette technique qui a vu l’explosion de la photographie astronomique, au début du XX e siècle, et les premières images de nébuleuses et de galaxies…

Ce montage montre l’effet de l’addition de nombreuses images dans le domaine de la photographie astronomique. A gauche, une pose de 1 seconde, à 12 800 ISO, de l’amas d’Hercule. A droite, l’addition de 300 poses de 1 seconde. L’image de droite montre plus d’étoiles, et révèle la galaxie NGC 6207, distante de cinquante millions d’années-lumière. La magnitude, c’est à dire l’éclat, de quelques étoiles est indiqué. Photos S.Brunier.

Jusqu’au début du XXI e siècle, il était impossible de photographier le ciel nocturne sans être astronome amateur, et sans disposer d’une complexe et coûteuse monture équatoriale. Bien sûr, les astronomes continuent à utiliser ces montures, qui, très sophistiquées aujourd’hui, permettent de pointer automatiquement les astres, et de les suivre avec une grande précision : les astronomes amateurs réalisent aujourd’hui des photographies bien meilleures que celles des plus puissants télescopes du monde dans les années 1970…
Mais les progrès des appareils photographiques permettent aujourd’hui de se lancer dans l’exploration du cosmos sans télescope, sans monture équatoriale, avec le plus simple matériel : l’appareil et un pied photo.
Cela signifie t-il qu’en prenant une photographie du ciel avec votre appareil, celui-ci révélera des nébuleuses, des galaxies ? Pas tout à fait… Ces astres sont vraiment très pâles, ils brillent cent, mille, un million de fois moins que la moins brillante étoile visible à l’œil nu… Et, encore une fois, comme le ciel tourne, il est impossible de laisser l’obturateur de l’appareil ouvert trop longtemps.

Cette photographie de la constellation de la Grande Ourse montre plus d’une douzaine de galaxies, certaines lointaines et minuscules, dont le célèbre couple M 81 M 82, en bas et à droite de l’image. Ces deux galaxies sont situées à douze millions d’années-lumière environ. Cette image est un composite de 300 photographies, posées chacune 3 secondes, avec l’objectif de 300 mm ouvert à F/4. 12 800 ISO. Plus un astre est situé près du pôle, plus le temps de pose peut être long, l’arc de cercle parcouru en un temps donné dans le ciel diminuant. A l’équateur céleste, le temps de pose maximal avec l’objectif de 300 mm est de 1 seconde, près du pôle, de 3 secondes. Photos S.Brunier.

Pour dépasser ce problème en apparence insoluble, j’ai voici quelques années initié une technique dite de « la monture équatoriale virtuelle ». Il s’agit de prendre un grand nombre de photographies à court temps de pose de l’astre convoité, puis d’utiliser un logiciel spécialisé de traitement d’images astronomiques, lequel recale automatiquement les images enregistrées. Résultat ? L’accumulation des photographies augmente ce que les astrophotographes appellent le signal, c’est à dire l’astre photographié, tout en diminuant ce qu’ils appellent le bruit, c’est à dire le « grain », les défauts, les artefacts électroniques de chaque image individuelle. Cette technique – utilisée par les astronomes amateurs et professionnels pour obtenir des temps de pose de plusieurs heures ou plusieurs dizaines d’heures à l’aide de dizaines de prises de vue – donne des résultats spectaculaires.

Montage de la photographie de la Grande Ourse. A gauche, une pose individuelle montre les étoiles jusqu’à la magnitude 12, à l’extrême limite. A droite, l’addition de 300 images révèle la structure spirale de la galaxie M 81, et montre les étoiles jusqu’à la magnitude 16,5 environ. Une étoile de magnitude 16 est plus de dix mille fois plus pâle que la plus faible étoile visible à l’œil nu… Photos S.Brunier.

Alors, comment faire ? D’abord, trouver un site d’observation où le ciel est le plus pur possible, et prendre ses images astronomiques lors de nuits sans Lune. Ensuite, bien sûr, choisir une cible… La carte du ciel du mois de juillet 2015 indique quelques amas, nébuleuses et galaxies célèbres, parmi les plus brillants du ciel. La plupart sont invisibles à l’œil nu, et seront, justement, rendus visibles par la magie de la photographie en longue pose… Ces astres, les nébuleuses M 8, M 20 du Sagittaire, M 27 du Petit Renard, les amas d’étoiles M 13 d’Hercule et NGC 869-884 de Persée, les galaxies M 31, M 51, M 81, M 82, M 101 sont environnés par des astres bien plus pâles et lointains, qu’il est possible d’enregistrer aussi…
Mais à la limite, point n’est besoin pour vos premiers tests de chercher une cible en particulier : en pointant votre appareil photo vers le zénith et dans la direction de la Voie lactée, vous êtes sûrs de découvrir des milliers d’étoiles, et parmi elles, probablement, un amas d’étoiles, une nébuleuse, une galaxie…
Je vous conseille de ne pas choisir d’objectifs à trop grand champ et de faible focale : la distorsion optique, pendant les prises de vue, rendra, pour le logiciel, le compositage des images difficile, voire impossible…
Utilisez donc, si possible, des objectifs de 50, 85, 135, 180, 200, 300 mm de focale…
Bien sûr, plus la focale sera grande, plus le champ sera réduit, et plus le temps de pose de chaque photographie devra être court, pour ne pas que le bougé du à la rotation du ciel soit sensible… Il suffit de faire des tests, en cherchant le temps de pose maximal durant lequel les étoiles demeurent ponctuelles et ne dessinent pas de petits traits lumineux. Dans tous les cas, ce temps de pose ne dépassera pas 10 secondes pour un objectif de 50 mm et 1 à 2 secondes pour un objectif de 300 mm…

Dans la Grande Ourse, un effet de perspective cosmique… En avant-plan, à deux mille années-lumière de la Terre, la nébuleuse M 97 luit de son bel éclat vert émeraude… Loin derrière elle, la galaxie spirale NGC 3556 apparaît. Elle est distante de plus de quarante millions d’années-lumière. Cette image montre les limites de la photographie du ciel sans télescope : le temps de pose unitaire de trois secondes est trop long, les étoiles ne sont plus ponctuelles, mais déformées. Photo S.Brunier.

Une fois ce test réalisé, réglez le diaphragme de l’objectif à une grande valeur d’ouverture, entre 1,8 et 4, choisissez une sensibilité ISO importante – 2000, 4000, 8000 ISO – et enregistrez vos images en fichier raw, si possible.
Reste la prise de vue : si votre appareil dispose d’un intervallomètre interne, ou si vous disposez d’un intervallomètre, réglez-le sur 25, 50, 100 poses, ou plus… Prendre les images à la main, une à une, est bien sûr possible, mais il est à craindre que l’appareil bouge pendant la pose, un déclencheur souple est alors souhaitable.
Reste à additionner les photographies prises… Des logiciels réalisent ce compositage automatiquement, comme Deep Sky Stacker ou Registax, par exemple, ou encore Iris ou Prism, très utilisés par les astronomes amateurs.
L’addition des images révélera une quantité d’astres surprenante sur votre photographie finale. Sous un beau ciel de campagne, l’addition de quelques centaines de poses permet facilement de révéler des étoiles dix à vingt mille fois plus faibles que la plus faible étoile que vous pourrez voir à l’œil nu, et des galaxies situées à des dizaines de millions d’années-lumière…
Serge Brunier

Une molécule de 10 nanomètres fait le lien entre nous et la rotation de la Terre (vue d’artiste – Ph. Hiro Sheridan via Flickr CC BY 2.0)

Des chercheurs japonais auraient identifié pour la première fois une protéine, produite par un gène spécifique, dont le cycle d’activité chimique coïncide avec la durée de la rotation terrestre (24 hs). La molécule découverte, nommée KaiC, agirait comme un “minuteur” de la durée du jour, envoyant des signaux au reste du corps pour que celui-ci synchronise son activité en fonction du cycle diurne.

Si l’étude des chercheurs des universités de Nagoya et d’Osaka porte sur une bactérie, les modèles biologiques permettent d’extrapoler ce mécanisme à tous les organismes possédant un rythme circadien, dont l’être humain. La découverte de ce premier minuteur chimique du corps est ainsi un pas essentiel dans le développement de thérapies contre les pathologies liées à des problèmes des rythmes biologiques.

Un cycle de 24 hs suivi quasiment “à l’aveugle”

L’organisme étudié est une cyanobactérie, l’une des plus anciennes formes de vie de la Terre, apparue voici peut-être 3.8 milliards d’années. Sa structure et métabolisme extrêmement simples (cellule procaryote) ne l’on pas empêché de dévoiler l’un des secrets les mieux gardés de la biologie : par quel mécanisme concret les processus biologiques réussissent à suivre le rythme diurne presque “à l’aveugle” ?

Une illustration des chercheurs représentant le lien entre la Terre et la protéine KaiC (Crédit: IMS/NINS)

En effet, la lumière, la température et d’autres facteurs extérieurs informent le corps – via les yeux, la peau, etc. – sur la phase de la journée en cours. Mais il existe aussi une “horloge interne”, peu ou pas liée aux signaux extérieurs, qui maintient un rythme calqué sur la rotation de la Terre. Elle est innée, héritée de l’évolution et a permis aux espèces d’optimiser leur consommation d’énergie interne : l’alternance entre la photosynthèse et la respiration des feuilles, le cycle du sommeil, etc.

 Une danse à deux qui dure 24 hs. ou presque

Si l’on connaît déjà de nombreux gènes impliqués dans la construction de cette horlogerie, jamais on n’avait identifié l’horloge elle-même, celle qui synchronise concrètement le travail des cellules du corps. C’est chose faite, du moins pour les cyanobactéries.

Il s’agirait d’une protéine, une molécule a plusieurs milliers d’atomes, nommée KaiC. Synthétisée par le gène éponyme, son activité chimique dure 24 hs. (à 10 % près). En réalité KaiC a besoin d’un petit moteur pour accomplir sa fonction : c’est le rôle d’une enzyme “ATPase”, qui interagit avec les atomes de la protéine et modifie donc sa structure et son comportement chimique. Les chercheurs ont montré que ce couple effectue un cycle de réactions chimiques en un temps équivalent à 91 % d’une journée : une lenteur extrême comparée au rythme habituel des duos protéine-ATPase, qui parfois mettent moins d’un milliardième de seconde à conclure la danse.

Une belle et très simple montre chimique

La cause de cette lenteur est purement chimique, liée à l’asymétrie de la molécule, qui freine l’avancement de l’enzyme…

Voilà donc un modèle de montre original, qui sonne les jours, et bien simple. Même si, comme le précisent les chercheurs, le rythme circadien met en jeu également d’autres protéines – notamment celles nommées KaiA et KaiB – cette trouvaille laisse augurer de traitements chimiques ciblant ces montres internes dans les désordres du rythme comme le jet-lag chronique (travailleurs de nuit, pilotes), ou des pathologies physiques ou psychiatriques (comme l’insomnie).

– Román Ikonicoff

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