Ces robots sauvages que les scientifiques utilisent pour étudier les comportements animaux

Cet article a été publié initialement sur le site de la revue Knowable Magazine from Annual Reviews et traduit avec leur aimable autorisation.

Les abeilles domestiques dansent pour diriger leurs compagnons de ruche vers de nouvelles sources de nourriture. Les guppies négocient le leadership avec leurs camarades de classe. Les volées de pigeons voyageurs s'évitent lorsqu'un faucon les attaque. Depuis l'aube de la recherche sur le comportement animal, les scientifiques ont étudié des interactions sociales comme celles-ci. Mais maintenant, il y a une nouvelle tournure à leurs recherches : Ici, l'un des acteurs n'est pas un véritable animal, mais un robot. Sous le contrôle des chercheurs, ces robots socialisent avec des créatures en chair et en os dans le cadre d'expériences qui, espèrent les scientifiques, permettront de mieux comprendre ce que signifie être un guppy socialement compétent, comment les abeilles éduquent leurs compagnons de ruche et d'autres aspects de la vie sociale animale.

L'idée n'est pas aussi étrange qu'elle en a l'air. Grâce aux progrès de la technologie robotique et de la puissance de calcul, les ingénieurs peuvent construire des robots suffisamment réalistes pour que les animaux y réagissent comme s'ils étaient réels. (La notion de "suffisamment réaliste" varie selon les animaux étudiés. Parfois, le robot doit avoir l'apparence et l'odeur voulues, et parfois, il suffit qu'il bouge).

Et les robots offrent un grand avantage sur les animaux vivants : Ils font ce que les chercheurs leur disent de faire, exactement de la même manière, à chaque fois. Cela donne aux scientifiques un degré de contrôle sur leurs expériences qu'il est difficile, voire impossible, d'obtenir par d'autres moyens. "Si vous pouvez construire un robot que vous pouvez intégrer dans un groupe d'animaux en tant que faire-valoir et qu'ils acceptent ce robot comme l'un des leurs, vous pouvez alors faire faire des choses au robot et voir comment les vrais animaux réagissent", explique Dora Biro, chercheuse en cognition animale à l'université de Rochester (New York).

Grâce aux robots, les chercheurs peuvent distinguer des facteurs, tels que la taille d'un poisson et son expérience, qui sont inextricablement liés chez les animaux réels. Ils peuvent exposer les animaux au même stimulus à plusieurs reprises, accélérant ainsi le processus expérimental. Et parfois, ils peuvent faire tout cela sans exposer les animaux au risque de véritables prédateurs ou d'espèces potentiellement envahissantes.

Voici cinq robots semblables à des animaux, ou biomimétiques, que les chercheurs utilisent déjà pour étudier - et, dans un cas, pour contrôler - la vie sociale d'animaux réels.

Robobee est dans la ruche

La célèbre "danse de l'agitation" des abeilles à miel - dans laquelle une ouvrière qui revient à la ruche signale l'emplacement d'une source de nourriture en courant selon des schémas spécifiques près de l'entrée de la ruche tout en faisant vibrer ses ailes et son corps - est connue depuis plus de 60 ans. Mais les chercheurs ne savent toujours pas exactement comment les compagnons de ruche de l'abeille décodent son message. "Quels sont les signaux ici ? Quels sont les composants de la danse qui véhiculent réellement l'information et ceux qui ne sont qu'un sous-produit ?", explique Tim Landgraf, roboticien à l'Université libre de Berlin. Il a pensé qu'il s'agissait là d'un travail pour Robobee.

Landgraf a construit une réplique d'abeille grandeur nature - un simple blob en plastique ayant vaguement la forme d'une abeille avec une seule aile - et l'a attachée à un système d'entraînement mécanique qui lui a permis de varier où et comment la réplique bougeait et vibrait. Après avoir inséré l'abeille dans la ruche, Landgraf a constaté qu'il pouvait effectivement diriger de vraies abeilles vers une source de nourriture, même une qu'elles n'avaient jamais utilisée auparavant - une preuve solide du principe.

Mais les succès de Robobee n'ont pas été constants. "Parfois, les abeilles suivaient en quelques secondes", dit Landgraf. "Mais parfois, cela prenait des jours, et nous ne pouvions pas dire pourquoi". Cela lui a fait réaliser qu'il y avait une autre facette de la communication de la danse qu'il n'avait jamais considérée : comment les abeilles décident quel danseur suivre, et quand. Les abeilles potentiellement suiveuses recherchent-elles activement des informations sur les sources de nourriture, s'est-il demandé, ou le danseur doit-il les persuader d'écouter ? Certaines ouvrières seulement sont-elles réceptives à un signal particulier, en raison de leur expérience antérieure ?

Pour répondre à ces questions, Landgraf et son équipe mettent au point un Robobee amélioré, doté d'une odeur plus réaliste et d'un mécanisme de vibration des ailes plus fiable, qui sera placé dans une ruche remplie d'abeilles marquées individuellement et dont ils pourront suivre l'expérience. Après les inévitables retards liés au Covid, ils ont enfin commencé à tester le système, mais il n'est pas encore prêt à parler des résultats. Toutefois, il affirme : "Je pense qu'il y a de bonnes chances de trouver quelque chose."

Un faucon robotisé en chasse

Lorsqu'un faucon frappe, comment une volée de pigeons réagit-elle ? La théorie classique - souvent appelée l'hypothèse du "troupeau égoïste" - suppose que chaque pigeon essaie simplement de se placer au milieu du troupeau, afin que le prédateur prenne un autre oiseau malchanceux. Mais cette idée n'est pas facile à vérifier. Chaque coup de faucon est différent : certains partent d'un peu plus haut que d'autres, ou d'un angle différent, et toute cette variabilité peut affecter la réaction des pigeons. C'est pourquoi Daniel Sankey, un écologiste du comportement travaillant actuellement à l'université d'Exeter, au Royaume-Uni, s'est tourné vers un robot.

"Nous avons pensé que c'était un moyen très contrôlé de mener cette étude", explique Sankey. "Vous pouviez vous assurer que le faucon se trouvait toujours exactement à 20 mètres derrière vous lorsque les pigeons étaient relâchés, ce qui rendait l'expérience reproductible." De plus, note-t-il, le robot était plus sûr pour les pigeons. "Je sais que, par le passé, un faucon dressé a absolument anéanti une volée de pigeons".

Avec l'aide du faucon robotisé d'un passionné de fauconnerie - d'apparence réaliste, à l'exception des hélices qui le propulsent - Sankey a attaqué à plusieurs reprises une volée de pigeons voyageurs, tout en suivant la position de chaque oiseau par GPS. Contrairement à l'hypothèse du troupeau égoïste, les pigeons n'étaient pas plus enclins à se déplacer vers le milieu du troupeau lorsqu'ils étaient attaqués que lorsqu'ils n'étaient pas molestés, a-t-il constaté.

Au contraire, l'analyse de Sankey a montré que les pigeons essayaient surtout de voler dans la même direction que leurs compagnons de vol, de sorte que le troupeau s'esquivait à l'unisson, sans laisser de traînards que le prédateur pouvait abattre. "Cela suggère qu'en s'alignant les uns sur les autres, on peut échapper au prédateur en tant que groupe, de sorte que personne ne soit mangé", explique-t-il. Bien qu'il ne s'agisse pas d'une preuve concluante, cela suggère que le groupe de pigeons est peut-être coopératif et non égoïste.

Poisson-robot en banc

Quels poissons d'un banc sont les plus susceptibles de diriger le groupe ? La plupart des études suggèrent que ce sont les plus gros poissons qui ont le plus d'influence sur l'orientation du groupe. Mais il y a un problème : les gros poissons sont aussi plus âgés et plus expérimentés, et ils peuvent agir différemment de leurs petits camarades. Laquelle de ces différences a l'effet le plus fort sur qui devient le leader ? C'est difficile à tester avec de vrais poissons. "Comment faire en sorte qu'un gros poisson se comporte comme un petit ? C'est le genre de choses que l'on ne peut tester qu'avec des robots", explique Jens Krause, spécialiste du comportement animal à l'université Humboldt de Berlin, coauteur d'un aperçu des robots dans la recherche comportementale dans la revue Annual Review of Control, Robotics, and Autonomous Systems de 2021.

Krause et ses collègues ont donc mis au point Robofish, une réplique imprimée en 3D d'un guppy montée sur un piédestal magnétique et entraînée par une unité motorisée située sous l'aquarium. Deux caméras vidéo couplées à des ordinateurs permettent à Robofish de réagir en temps réel aux mouvements de ses congénères.

Tant que le modèle avait des yeux et un motif de couleur vaguement réaliste, les guppys se comportaient envers lui comme envers n'importe quel autre poisson. Cela a permis aux chercheurs d'échanger des versions plus grandes ou plus petites de Robofish tout en gardant tous les autres aspects de son comportement identiques, afin d'étudier l'effet de la taille seule. Ils ont ainsi constaté que les vrais guppies étaient plus enclins à suivre des Robofish leaders plus grands. L'équipe a également utilisé Robofish pour étudier comment la vitesse de nage des individus affecte le comportement du banc.

Et l'équipe de Krause a appris une autre chose surprenante sur les dirigeants louches : La politesse aide. Les premières versions de leur programme de contrôle de Robofish ont amené le robot à s'approcher trop près de ses camarades de classe, ce qui a fait reculer les vrais poissons. "Nous avions des robots qui finissaient par poursuivre le poisson", se souvient Krause. Après que l'équipe a modifié le robot pour qu'il respecte l'espace de ses camarades de classe, le nouveau Robofish "socialement compétent" s'est avéré beaucoup plus efficace pour attirer des adeptes. 

Des robots termites en essaim

Les études précédentes utilisaient des robots pour infiltrer de véritables groupes d'animaux et provoquer une réaction. Mais il existe une autre façon d'utiliser les robots pour comprendre le comportement des animaux : Programmer un essaim de robots pour qu'ils agissent selon les règles que vous pensez que les vrais animaux suivent, et voir si le résultat imite la façon dont les animaux agissent.

C'est l'approche suivie par Justin Werfel, un chercheur en comportement collectif à Harvard. Werfel voulait comprendre comment les termites construisent des monticules aussi complexes, remarquables par les réseaux de cheminées cannelées à leur entrée. Il s'est concentré sur une seule étape du processus : la façon dont les termites transportant la terre excavée du monticule choisissent où la jeter. Cette simple décision détermine la forme complexe de l'entrée du monticule.

Werfel et ses collègues disposaient de quelques éléments suggérant que les termites pouvaient déposer leur terre à l'endroit où l'humidité interne élevée de la butte cède la place à l'air plus sec de la surface, un bon repère pour la limite de leur habitat. Mais ils ne savaient pas si le comportement des termites en matière de dépôt de terre dépendait également d'autres facteurs.

Ils ont donc construit un essaim de termites robotisés. Puisque les robots n'avaient pas à interagir avec de vrais insectes, ils n'avaient pas besoin d'être réalistes. Les robots étaient plutôt des chariots de la taille d'une brique, capables de transporter et de déposer des blocs colorés sur une surface plane. Chaque "termite" était équipée d'un capteur d'humidité et était programmée pour transporter les blocs lorsque l'humidité était élevée et les laisser tomber lorsque l'humidité baissait. Pendant ce temps, un tube de hamster faisait couler de l'eau à mesure que chaque "termite" se déplaçait, afin de s'assurer que l'humidité était plus élevée dans les zones occupées.

"Nous savons que le robot ne fait attention qu'à l'humidité, car c'est ce que nous lui avons demandé de faire", explique M. Werfel. Et cela s'est avéré suffisant : L'essaim de robots a fini par déposer ses blocs dans une version bidimensionnelle d'une véritable entrée de termitière. Les robots ont même fermé l'ouverture les jours de brise, comme le font les vrais termites. L'expérience ne prouve pas, bien sûr, que les termites utilisent réellement une règle d'humidité pour construire leurs termitières, note Werfel - mais une telle règle est suffisante pour accomplir la tâche.

Le poisson-terreur est à l'affût

Les robots biomimétiques ne font pas que révéler le comportement des animaux. Ils pourraient bientôt être utilisés pour le manipuler de manière utile.

Le poisson-moustique, originaire du sud des États-Unis, est devenu l'une des 100 espèces les plus envahissantes au monde. Giovanni Polverino, écologiste du comportement à l'université de Western Australia, a décidé d'essayer une forme inhabituelle de contrôle bio-robotique.

Polverino et ses collègues ont construit un poisson robotisé conçu pour ressembler à un achigan à grande bouche, un prédateur clé des poissons-moustiques dans leurs cours d'eau d'origine. En programmant le robot pour qu'il nage de manière agressive vers le poisson-moustique, ils espéraient terroriser l'espèce envahissante tout en laissant les espèces indigènes australiennes intactes. (De nombreux animaux sauvages montrent des effets durables de la peur).

Et c'est exactement ce qu'ils ont vu : À partir de 15 minutes par semaine passées avec le prédateur robotisé, les poissons-moustiques ont perdu de la graisse corporelle et ont consacré plus d'énergie à la fuite et moins à la reproduction. "L'effet sur le poisson-moustique est énorme, et l'autre espèce n'est pas du tout effrayée, parce que nous avons copié un prédateur qui n'existe pas en Australie", explique Polverino.

Polverino a encore beaucoup de travail à faire avant de pouvoir déployer son prédateur artificiel dans le monde réel. "Notre robot fonctionne bien dans le laboratoire", dit-il. "Mais il a un ordinateur à proximité, une webcam au-dessus du réservoir et une batterie à courte durée de vie".

Malgré cela, il est actuellement en discussion avec un parc national du Queensland où deux espèces de poissons menacées vivent dans de petites piscines claires qui ont récemment été colonisées par des poissons-moustiques. Ces bassins étant très petits, ils pourraient constituer un bon premier test dans la nature. "Ce n'est pas encore prêt", dit Polverino, "mais c'est une possibilité claire".

Beaucoup de choses peuvent mal tourner, bien sûr, lorsque les chercheurs tentent d'insérer des robots dans des groupes sociaux d'animaux - et parfois, les échecs sont dus à des raisons prosaïques. Par exemple, lorsque M. Biro a essayé de construire un pigeon robotisé pour étudier la prise de décision collective par des groupes de pigeons voyageurs, le robot s'est avéré incapable de voler assez vite pour suivre le véritable troupeau. Néanmoins, la possibilité de tester le comportement des animaux par de nouvelles méthodes est suffisamment prometteuse pour que la chercheuse espère pouvoir réessayer un jour. "Si nous avions réussi à faire fonctionner tout cela, il y aurait eu toutes sortes de choses intéressantes à faire", dit-elle. "Cela fait partie de ma liste de choses que j'espère faire".

Traduit et publié avec l'aimable autorisation de Knowable Magazine. L'article original est à retrouver ICI.