L'évolution est un voyage. D'une part, cela semble être un mécanisme simple - des individus mieux adaptés à l'environnement donnent naissance à plus d'enfants, et moins adaptés ne se reproduisent pas tellement, et leurs gènes sont filtrés. D'un autre côté, elle a réussi à générer un éventail incroyable d'organismes. Certains animaux volent avec des ailes à plumes, d'autres avec des membranes tendues entre les doigts. Certains courent sur deux jambes, d'autres sur quatre. Et tous à leur manière, adaptés à leur environnement.
L'évolution est puissante et les experts en robotique se tournent aujourd'hui vers ce pouvoir pour trouver l'inspiration. Une nouvelle étude conceptuelle réalisée par des scientifiques australiens explore comment les algorithmes évolutionnaires peuvent engendrer des jambes pour des robots adaptés à marcher sur certaines surfaces. Les résultats étaient à la fois logiques, contre-intuitifs et étranges - et suggéraient également une nouvelle façon de fabriquer des machines à marcher.
Les chercheurs ont commencé avec 20 formes aléatoires de jambes numériques, limitées par une certaine taille (nous n'avons pas besoin de jambes de trois mètres de cauchemars). Chaque circuit est basé sur des éléments appelés
courbes de Bézier . «La courbe de Bézier est visible dans Microsoft Paint, où vous définissez une courbe pour plusieurs points de contrôle, nous les utilisons uniquement en trois dimensions», explique le chercheur David Howard de l'Organisation publique australienne pour la recherche scientifique et industrielle. Le système projette ces courbes sur une grille de pixels tridimensionnels -
voxels . «Au point d'intersection de la courbe avec le voxel, nous plaçons notre matériau», ajoute Howard. "Tout le reste reste vide." En conséquence, chaque circuit devient unique.
La simulation étudie l'aptitude de la jambe résultante à marcher sur trois surfaces différentes: sol solide, gravier et eau. Simplement, au lieu de choisir des propriétés telles qu'une bonne vision ou un camouflage, comme cela se produit lors de la sélection naturelle, le système sélectionne des schémas pour le couple que le moteur devrait développer afin de faire tourner une jambe d'une certaine longueur lors de la marche sur une surface donnée. En d'autres termes, une bonne jambe est une jambe économe en énergie. Des bonus ont également été accordés pour les jambes nécessitant moins de matériel.
«Pour la surface de gravier sur laquelle passe le pied, nous calculons les forces agissant sur chaque galet», explique Howard. «Cela nous donne une idée très précise de ce que fait le pied dans l'environnement.» La même chose se produit avec l'eau et le sol solide.
Ensuite, les chercheurs ont pris 20 des jambes originales et les ont combinées avec celles qui se sont montrées les meilleures. Ils ont choisi les jambes les plus adaptées pour créer des jambes de fille, un peu comme celles des parents. «Nous le faisons encore et encore», explique Howard. Depuis mille générations. En conséquence, la moitié de la population, qui a montré les pires résultats, a disparu, car les animaux disparaissent dans la nature sous l'influence de facteurs environnementaux. «Et puis nous appliquons l'adaptation automatique à l'environnement.»
Dans l'image ci-dessus, dans la première rangée se trouvent les jambes, que l'algorithme considère comme les plus efficaces pour marcher sur une surface dure. La rangée du milieu est préférée pour le gravier, le fond pour l'eau.
Les jambes en forme de lame sont un choix logique pour marcher sur un sol dur. Comme il est dur, les jambes étroites ne tomberont pas. "Les jambes du gravier sont donc plus épaisses, elles ont besoin d'empreintes plus larges", a déclaré Howard. Ils aident les jambes à marcher sur le gravier, sans tomber comme des raquettes.
Jambes épaisses adaptées à l'eau? C'est encore un mystère. "Quelque chose d'étrange s'est produit avec l'eau, nous nous attendions à quelque chose qui ressemblait à des lames, comme marcher sur une surface dure", a déclaré Howard. Cela leur permettrait de couper à travers l'eau. Vous pouvez également vous attendre à des membres plus minces du système, compte tenu de toutes les tâches initiales. «Mais les jambes étroites n'ont pas fonctionné. Nous ne savons pas encore pourquoi. »
Également assez étranges, certaines saillies, en particulier sur les pattes destinées au sol. «Nous aimons la théorie selon laquelle ils ont leur propre objectif», explique Howard. Mais en fait, lors du marquage de la courbe de Bézier sur le réseau de voxels, sa partie, qui semble inutile, fait en fait partie d'une courbe beaucoup plus grande qui fournit une structure à l'intérieur de la jambe. " Les protubérances ont l'air brutales, mais en réalité, ce ne sont que des artefacts qui n'aident pas, mais n'interfèrent pas non plus avec les jambes. Howard et ses collègues ont modifié le système afin qu'il les reconnaisse et les supprime automatiquement.
Les chercheurs ont imprimé ces jambes sur une imprimante 3D et les ont connectées à un robot à six pattes. Maintenant, ils prévoient de tester leur efficacité sur une surface réelle par rapport aux jambes conçues par l'homme. L'équipe a déjà chargé des exemples de telles jambes dans le simulateur, et il s'est avéré que les jambes obtenues à la suite de l '"évolution" ne sont pas pires, et parfois meilleures, artificielles.
Pourquoi faut-il consacrer des efforts à simuler l'évolution des robots? Par exemple, vous pouvez donner au robot une spécialisation étroite pour se déplacer sur une certaine surface et ne pas être basé sur des jambes largement utilisées. Théoriquement, cela permettra au robot de mieux faire face dans certaines situations, par exemple lorsqu'il surmonte des dunes de sable.
«Si vous souhaitez utiliser le robot dans un environnement différent, vous pouvez simplement redémarrer l'algorithme», explique Tonnes Nigaard, qui étudie le changement de forme sous l'influence de l'évolution des robots à l'Université d'Oslo, et n'a pas participé à ce travail. "Si vous avez développé un système spécialement conçu pour un but spécifique, alors dans les dernières étapes de la conception, cela peut déjà être impossible."
Le système Nigaard, un robot à quatre pattes avec des jambes télescopiques, évolue en déplacement. Par essais et erreurs - c'est-à-dire en tombant souvent - il apprend à marcher, par exemple, sur une surface glacée, raccourcissant ses jambes pour abaisser son centre de gravité. À l'intérieur, il peut les allonger pour augmenter la longueur de foulée et augmenter l'efficacité des mouvements. Il peut être possible de combiner ces deux technologies: utiliser la simulation pour développer une conception de pied appropriée, puis la construire en une véritable machine qui peut changer.
Et si l'évolution réussit à bien faire, alors c'est surprenant. «Evolution cherche des réponses dans un éventail d'options beaucoup plus large», explique Howard. "Elle se fiche de l'apparence de la chose qui en résulte." Elle peut sembler complètement contre-intuitive, pas comme un ingénieur humain l'aurait pensé. Mais si cela fonctionne, rien d'autre n'a d'importance. »