Environmental resilience via morphological diversity within machines

Le superpouvoir secret des équipes désordonnées

Imaginez que vous essayiez d'apprendre à un robot à marcher. Dans le monde de la science, cela relève de la robotique et de l'intelligence artificielle, où les ingénieurs construisent des machines capables de se déplacer et de réfléchir par elles-mêmes. Habituellement, lorsque nous construisons ces machines, nous essayons de rendre chaque pièce parfaitement identique. Pensez à une ligne de production d'usine où chaque boulon est de la même taille et chaque engrenage tourne exactement de la même manière. L'idée est que si tout est parfait et uniforme, la machine fonctionnera parfaitement.

Mais la nature fait les choses différemment. Si vous observez un être vivant, comme un humain ou une abeille, il est rempli de différences. Votre main gauche n'est pas exactement comme votre main droite ; vos cellules cérébrales s'activent selon des motifs légèrement différents ; et même une colonie de bactéries n'est pas composée de clones. Les scientifiques appellent cela la diversité. Pendant longtemps, les ingénieurs ont pensé que ce « désordre » n'était que du bruit — quelque chose à corriger ou à ignorer. Cependant, une idée croissante suggère que cette variété pourrait en réalité être un superpouvoir. Elle aide les êtres vivants à rebondir lorsque les choses tournent mal, comme lorsqu'un insecte perd une patte ou qu'un oiseau est pris dans une tempête soudaine. La grande question est la suivante : pouvons-nous construire des machines qui utilisent ce même tour ? Pouvons-nous fabriquer des robots qui sont résilients non pas parce qu'ils sont parfaits, mais parce qu'ils sont merveilleusement et chaotiquement différents ?

L'article : Dompter le chaos pour survivre à l'inconnu

Dans cette étude, les chercheurs Alice Hein et Josh Bongard, de l'Université du Vermont, ont entrepris de tester une hypothèse folle : Et si nous cassions intentionnellement nos robots de l'intérieur pour les rendre plus robustes à l'extérieur ?

Ils n'ont pas construit de robots physiques en métal pour cette expérience. À la place, ils ont créé une simulation — un monde virtuel à l'intérieur d'un ordinateur où ils pouvaient tester leurs idées rapidement et en toute sécurité. Considérez cela comme un jeu vidéo où ils pouvaient générer des milliers de modèles de robots différents, les fracasser les uns contre les autres et voir ce qui se passait sans craindre de détruire une véritable voiture.

L'expérience : Construire un zoo « morphologique »

D'abord, l'équipe a généré 100 agents robotiques simulés uniques. Ce n'étaient pas des robots standards ; ils étaient morphologiquement divers, ce qui signifie qu'ils avaient des formes et des tailles différentes. Certains étaient composés de 11 petites boules de masse reliées par des ressorts. Certains ressorts étaient « actifs » (ils pouvaient pousser et tirer), tandis que d'autres étaient « passifs » (ils se contentaient de balloter). Chaque robot a été entraîné pour marcher vers l'avant sur un sol plat. Comme ils avaient tous des formes différentes, ils marchaient tous de manière unique et singulière.

Ensuite, les chercheurs ont introduit les « connecteurs ». Il s'agissait de ressorts spéciaux conçus pour lier deux robots ensemble. L'objectif était de faire avancer la paire comme une équipe. Mais voici le tour de force : ils ont entraîné ces connecteurs de deux manières très différentes.

1. Le camp des Clones : Ils ont lié des robots à leurs clones exacts (des jumeaux identiques).
2. Le camp de la Diversité : Ils ont lié des robots complètement différents ensemble (comme un robot grand et svelte attaché à un robot court et rond).

Les connecteurs devaient apprendre à gérer la paire. Si la paire était composée de clones, le connecteur devait simplement les maintenir synchronisés. Mais si la paire était diverse, le connecteur devait faire face à une grande adversité interne. Un robot pouvait vouloir rouler, tandis que l'autre voulait sauter. Le connecteur devait « dompter » ce chaos, apprenant à ajuster ses ressorts pour que la paire dépareillée puisse tout de même avancer.

Le grand test : Les jeter dans l'inconnu

Une fois les connecteurs entraînés, les chercheurs ont jeté les équipes dans 12 nouveaux environnements complexes. Ce n'étaient pas seulement des sols plats ; c'étaient des endroits avec de la glace, du sable, des pentes raides, des vents forts et même une faible gravité. Les robots n'avaient jamais vu ces endroits auparavant, et ils n'étaient pas autorisés à apprendre ou à s'adapter pendant le test. Ils devaient simplement se fier à ce qu'ils avaient appris durant l'entraînement.

Les résultats :
Les conclusions furent surprenantes et claires.

• Les robots solitaires : Lorsque les robots individuels (sans connecteurs) ont été envoyés dans ces nouveaux environnements, ils ont eu du mal. Ils tombaient ou s'arrêtaient de bouger car le nouveau terrain perturbait leur style de marche spécifique.
• Les équipes uniformes : Les équipes composées de robots identiques et de connecteurs entraînés uniquement sur des clones s'en sont sorties convenablement, mais elles ont tout de même trébuché quand l'environnement devenait étrange.
• Les équipes diverses : Les équipes qui ont gagné étaient celles composées de robots différents reliés par des connecteurs entraînés sur la diversité. Ces équipes ont parcouru la plus longue distance et ont le mieux géré la glace, le vent et les pentes.

Pourquoi cela a-t-il fonctionné ? La théorie de « l'entraînement interne »

L'article suggère une raison fascinante à ce succès. Il s'avère que les connecteurs entraînés sur des paires diverses avaient déjà vécu une version « plus dure » du monde à l'intérieur de la phase d'entraînement.

Imaginez un musicien qui s'exerce. S'il ne joue qu'avec un orchestre parfait, il pourrait être déstabilisé si un partenaire joue une fausse note. Mais s'il s'entraîne avec un partenaire qui change constamment son rythme, son tempo et son style, il apprend à s'adapter instantanément.

Dans la simulation, les connecteurs entraînés sur des robots divers ont dû constamment corriger les « erreurs » causées par leurs partenaires dépareillés. Ils ont appris à gérer une immense gamme de mouvements étranges. Lorsque ces mêmes connecteurs ont été placés plus tard dans un nouvel environnement (comme une colline venteuse), la « surprise » du vent leur a semblé familière. Pourquoi ? Parce que l'effet du vent sur le robot ressemblait exactement au chaos interne qu'ils avaient déjà appris à gérer. Ils s'étaient effectivement pré-entraînés à l'adversité.

Les chercheurs ont également découvert que cet effet devenait encore plus fort à mesure que les équipes s'agrandissaient. Lorsqu'ils enchaînaient 5, 10 ou même 20 robots divers, le groupe entier devenait incroyablement résilient. Plus l'équipe était diverse, mieux elle gérait l'inconnu.

Ce que cela signifie pour l'avenir

Les auteurs précisent bien qu'il s'agit d'une simulation, et non d'un robot fini que l'on peut acheter aujourd'hui. Ils ne prétendent pas avoir résolu tous les problèmes de la robotique. Cependant, ils suggèrent une nouvelle façon de penser.

Au lieu d'essayer de construire des robots parfaits et identiques, nous devrions peut-être les construire avec une diversité interne intentionnelle. En laissant de petites machines différentes travailler ensemble et en les forçant à s'adapter aux particularités des autres, nous pourrions créer des machines naturellement plus robustes face aux imprévus du monde réel. C'est un peu comme dire : « Ne construisez pas seulement un soldat parfait ; construisez une équipe de personnes différentes qui ont appris à combattre ensemble dans la boue, afin qu'elles puissent faire face à tout ce que l'ennemi leur lancera. »

L'article conclut que, bien que les robots du monde réel soient confrontés à de nombreux autres défis (comme l'autonomie de la batterie et la communication complexe), l'idée d'utiliser l'adversité physique interne pour se préparer à l'adversité externe est une voie prometteuse. Elle suggère que le secret de la résilience n'est pas la perfection, mais la capacité à danser avec le chaos qui est en soi.