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Essaim de robots
En mars de cette année, l'informaticienne de l'Université de Harvard, Radhika Nagpal, et ses collègues ont parcouru 10 miles par jour à travers une île tropicale au milieu du canal de Panama, à la recherche de fourmis légionnaires. Les insectes travaillent ensemble en groupes de dizaines voire de centaines de milliers pour protéger leur reine et leurs larves, en utilisant leur propre corps pour créer et entretenir un nid temporaire. Mais il n'y a pas de chef parmi eux, pas de contremaître ou de chef. Les créatures créent ces structures complexes en tant que collectif.
Le matin du deuxième jour, Nagpal cherchait depuis des heures lorsque Mike Rubenstein, un roboticien de la Northwestern University, a accidentellement marché sur une bûche pourrie. Sa botte de caoutchouc a traversé le bois. Immédiatement, Nagpal se précipita pour regarder l'essaim d'insectes réparer leur nid endommagé. Elle était rayonnante, se souvient le biologiste Simon Garnier du New Jersey Institute of Technology, scientifique principal de l'expédition. Parfois, j'aimerais que mes propres élèves soient plus comme ça.
Nagpal était au Panama pour apprendre des fourmis ou, à tout le moins, s'en inspirer. En tant que chef de file dans le domaine émergent de la robotique en essaim, ou intelligence artificielle collective, elle chevauche plusieurs domaines, dont le génie mécanique, le design industriel et même la biologie comportementale. Avant de concevoir des robots qui travaillent ensemble pour construire des structures simples, elle et ses collègues se sont rendus en Namibie pour étudier de près les termites, et le voyage au Panama a lancé un nouveau projet inspiré des fourmis légionnaires. (Le nombre d'actionneurs dont dispose une fourmi donne envie à une roboticienne de pleurer, dit-elle.) Mais son laboratoire est surtout connu pour avoir construit un groupe de 1 024 machines simples, identiques et peu coûteuses qu'elle appelle kilobots. Les robots trapus et cylindriques effectuent des tâches de base en groupe. Il n'y a pas de chef parmi eux. Il n'y a pas non plus d'interférence humaine. Ils sont un véritable essaim artificiel.
L'un des 1 024 kilobots de Nagpal
Les applications potentielles des collectifs de robots varient considérablement, des robots-abeilles pour les travaux de recherche et de sauvetage aux véhicules de construction autonomes qui pourraient construire des habitats sur la lune ou sur Mars avant les missions habitées. Mais ces visions futuristes ne sont pas ce qui motive Nagpal. À un certain niveau, oui, cela peut mener à des applications, mais il s'agit aussi de découverte scientifique, dit-elle. Le but est de pouvoir découvrir de nouvelles connaissances, et de ne pas nécessairement savoir comment cela va influencer l'humanité dans 20 ans.
Les recherches de Nagpal ont été présentées sur la couverture de La science et La nature , et en 2014, elle a été citée comme l'une des La nature ’s 10, une liste annuelle des personnes qui comptent en science. C'est certainement une brillante scientifique, ajoute Garnier. Mais aussi elle n'a jamais perdu la curiosité des enfants.
Trouver son propre chemin
Nagpal, 45 ans, a grandi en Inde, qu'elle décrit comme un pays où l'intelligence chez les filles était sous-estimée et même problématique. En tant que fille intelligente grandissant, il était très clair qu'ils auraient préféré que les garçons soient intelligents, se souvient-elle. Les filles étaient censées apprendre à cuisiner, pas à coder. Et si une fille excellait sur le plan scolaire, la médecine était l'une des rares voies acceptables.
Alors Nagpal a décidé que tout ce qui était lié à la médecine, même de loin, comme la biologie, était interdit. Toute ma stratégie était l'évasion, dit-elle. S'il y avait un chemin prédestiné pour les femmes, je n'allais pas emprunter ce chemin, juste de peur d'être enfermée dans ce système et de ne jamais pouvoir prendre une autre décision par moi-même.
Malgré les normes culturelles, les parents de Nagpal - son père est un ingénieur en mécanique qui a obtenu son doctorat à Georgia Tech - lui ont permis de fréquenter le MIT. En première année, elle a profité du système de notation réussite / échec pour s'inscrire à la classe d'introduction à l'informatique 6.001. Je pensais que ça allait être dur, dit-elle, mais ensuite j'ai adoré ça.
Radhika Nagpal dit qu'elle et son groupe ne nomment plus les plus de 1 000 robots de son laboratoire.
En tant qu'étudiante diplômée en 1996, Nagpal a lu Amorphous Computing, un livre blanc récemment publié dans lequel ses conseillers, Harold Abelson, PhD '73, et Gerald Jay Sussman '68, PhD '73, et d'autres décrivaient une direction inhabituelle pour l'informatique. Ils ne se concentraient pas sur des ordinateurs individuels puissants, mais sur des multitudes programmables constituées de machines simples qui, lorsqu'elles travaillaient ensemble, pouvaient produire des résultats complexes. Bien que la technologie existante n'était pas prête à soutenir la vision, le concept est devenu la base de ses études de doctorat.
Au fur et à mesure qu'elle progressait, se mariait et fondait sa propre famille, Nagpal a refusé de laisser sa carrière écraser ses autres passions : la peinture, la danse et, en général, vivre une vie pleine et équilibrée. Après avoir décroché un poste de professeur junior à Harvard en 2004, elle a négligé la politique académique, a refusé de participer à des séances de laboratoire toute la nuit et s'est donné pour politique de ne pas consulter ses e-mails le week-end. Ces décisions, détaillées dans un 2013 Scientifique Américain article de blog intitulé The Awesomest 7-Year Postdoc or: How I Learned to Stop Worrying and Love the Tenure-Track Faculty Life, a trouvé un écho à l'intérieur et à l'extérieur du milieu universitaire. L'un de ses collègues a prédit que son message serait probablement son ouvrage le plus lu. Pourtant, Nagpal a quand même réussi à obtenir la permanence et l'opportunité de façonner son laboratoire idéal - un collectif équilibré et diversifié capable du genre d'interactions sans chef qu'elle étudie dans la nature, mais toujours ouvert aux conseils et aux instructions d'un certain professeur bien équilibré.
Création d'un kiloswarm
Récemment, près de deux décennies après avoir lu son livre blanc, Nagpal a invité Abelson dans son laboratoire pour voir l'ordinateur amorphe rendu réel sous la forme de 1 024 kilobots. Chaque robot repose sur trois pieds métalliques fins comme des trombones et est assez petit pour se cacher dans vos mains fermées. Ils se déplacent lorsque deux petits moteurs - ceux qui font vibrer les smartphones - sont activés, ce qui fait glisser les bots sur des surfaces lisses ; ils communiquent entre eux en faisant rebondir des signaux infrarouges sur le sol. Ils n'ont même pas d'interrupteur d'alimentation, car cela aurait signifié passer une heure à les allumer tous. Au lieu de cela, les scientifiques ont fabriqué une baguette qui transmet un signal infrarouge demandant aux robots de s'allumer ou de s'éteindre.
Lorsque Nagpal et Rubenstein, son postdoc à l'époque et son principal collaborateur sur le projet, ont entrepris de construire leur essaim de kilobots, le domaine était si jeune que le plus grand collectif que son groupe avait construit était composé de trois machines. Personne n'avait mille robots, se souvient-elle. Une centaine était considérée comme un très, très grand nombre. Atteindre un millier semblait être une tâche impossible, mais en même temps, vous aviez l'impression que si vous le faisiez, vous apprendriez quelque chose que vous n'auriez pas pu apprendre autrement.
L'une des premières leçons a été que si certains algorithmes fonctionnaient parfaitement avec des dizaines de robots, l'utilisation de ces programmes avec un nombre beaucoup plus important révélait des failles. Bien qu'ils aient été conçus pour être exactement les mêmes, certains des robots sont légèrement plus rapides ou plus lents, et lorsque Nagpal et le groupe ont exécuté un programme d'auto-assemblage, au cours duquel l'essaim était censé se transformer d'une goutte amorphe en une forme donnée. comme une clé à molette ou une étoile de mer, un seul bot en retard était un problème majeur. Chaque robot lent ou chaque robot qui se comporte mal était un embouteillage et pouvait faire tomber tout le système, dit-elle. Pourtant, ces valeurs aberrantes n'ont pas créé de tels problèmes dans les petits collectifs de moins de 100 robots.
En général, Nagpal a appris que les variations - robots lents et rapides, par exemple - et les erreurs rares, comme un kilobot qui a tout simplement cessé de fonctionner, étaient des caractéristiques naturelles d'un grand système. Lorsque vous faisiez fonctionner un millier de robots pendant plusieurs heures, certains allaient à des vitesses différentes, et certains allaient se casser. Ce n'était pas une énorme surprise; elle avait vu l'équivalent naturel en Namibie et ailleurs. Les insectes individuels se comportaient souvent différemment, marchant brièvement dans la mauvaise direction, mais le collectif fonctionnait toujours. Ainsi, au lieu d'essayer de construire des machines parfaites ou de modifier les algorithmes, elle a décidé de développer un deuxième ensemble d'algorithmes qui corrigent les erreurs et les variations. Désormais, si un kilobot fonctionne mal, ses voisins lui ordonneront de redémarrer ou, en cas d'échec, de se déclarer mort. Cette dernière stratégie est l'équivalent en essaim d'activer vos dangers sur l'autoroute et de dire à tout le monde de vous contourner. Cela fonctionne : entre autres tâches, les kilobots peuvent être programmés pour s'auto-assembler dans des formes spécifiques sans aucune intervention des chercheurs. Dans un effort séparé, Nagpal et ses collègues ont construit un petit collectif de robots plus complexes qui ont collaboré pour construire des structures de base. C'est le projet qui a déclenché le voyage en Namibie. Les chercheurs avaient prévu de faire construire leurs robots avec des briques de mousse solides et géométriques jusqu'à ce qu'ils voient des termites en Namibie construire avec de l'argile pliable et conforme. De retour au laboratoire, ils ont décidé de construire des robots supplémentaires qui déplaceraient des matériaux ressemblant à des sacs de sable et de la mousse amorphe. Pourtant, le voyage avait aussi un objectif de motivation. L'autre influence était simplement d'être à nouveau étonnée et redynamisée par l'efficacité de l'intelligence collective, dit-elle.
Nagpal espère que l'expédition panaméenne aura le même effet sur son prochain projet, une sorte d'hybride de kilobots et de robots de construction. Son plan est de concevoir des robots qui se comportent comme des fourmis militaires, en utilisant leur propre corps comme matériaux de construction de base. L'objectif est difficile et Nagpal reconnaît l'ampleur de la tâche. Pourtant, elle s'est donné pour règle d'aller au-delà du plausible. Nos rêves dépassent souvent les limites de ce qui est possible, dit-elle. Mais il est également vrai que la mi-chemin des rêves est toujours assez cool.