Des chercheurs créent une peau artificielle neuromorphique pour robots
Le système nerveux accomplit un travail étonnant de suivi des informations sensorielles, et ce en utilisant des signaux qui rendraient fous de nombreux informaticiens : un flux bruité de pics d’activité qui peuvent être transmis à des centaines de neurones supplémentaires, où ils sont intégrés avec des trains de pics similaires provenant d’autres neurones.
Désormais, des chercheurs ont utilisé des circuits à impulsions pour construire une peau robotique artificielle, en adoptant certains principes de la façon dont les signaux de nos neurones sensoriels sont transmis et intégrés. Bien que le système repose sur quelques caractéristiques qui ne sont décidément pas neuronales, il présente l’avantage que nous disposons de puces capables d’exécuter des réseaux neuronaux utilisant des signaux à impulsions, ce qui permettrait à ce système de s’intégrer harmonieusement avec du matériel économe en énergie pour faire fonctionner des logiciels de contrôle basés sur l’IA.
Localisation par impulsions
Le système nerveux dans notre peau est remarquablement complexe. Il possède des capteurs spécialisés pour différentes sensations : chaleur, froid, pression, douleur, et plus encore. Dans la plupart des zones du corps, ceux-ci alimentent la colonne vertébrale, où un traitement préliminaire a lieu, permettant de déclencher des réactions réflexes sans même impliquer le cerveau. Mais les signaux se fraient un chemin le long de neurones spécialisés jusque dans le cerveau, permettant un traitement supplémentaire et potentiellement une prise de conscience.
Les chercheurs à l’origine de ce travail récent, basés en Chine, ont décidé de mettre en œuvre quelque chose de similaire pour une peau artificielle qui pourrait être utilisée pour recouvrir une main robotique. Ils ont limité la détection à la pression, mais ont mis en œuvre d’autres fonctions du système nerveux, notamment la localisation des entrées et des blessures, et l’utilisation de multiples couches de traitement.
Tout cela a commencé par la fabrication d’une peau polymère flexible avec des capteurs de pression intégrés reliés au reste du système via des polymères conducteurs. La couche suivante du système convertissait les entrées des capteurs de pression en une série de pics d’activité, de courtes impulsions de courant électrique.
Il existe trois façons pour ces trains d’impulsions de transmettre l’information : la forme d’une impulsion individuelle, par leur amplitude, par la longueur de l’impulsion, et par la fréquence des impulsions. La fréquence des impulsions est le moyen le plus couramment utilisé pour transmettre l’information dans les systèmes biologiques, et les chercheurs l’utilisent pour transmettre la pression ressentie par un capteur. Les autres formes d’information sont utilisées pour créer quelque chose semblable à un code-barres qui aide à identifier de quel capteur provient la lecture.
En plus d’enregistrer la pression, les chercheurs ont fait en sorte que chaque capteur envoie un signal « je suis toujours là » à intervalles réguliers. Le non-recevoir de ce signal indiquerait qu’il y a un problème avec un capteur.
Les signaux d’impulsion permettent à la couche suivante du système d’identifier toute pression subie par la peau, ainsi que son origine. Cette couche peut également effectuer une évaluation de base de l’entrée sensorielle : « Les impulsions brutes initiées par la pression provenant du générateur d’impulsions s’accumulent dans le centre de cache de signal jusqu’à ce qu’un seuil de douleur prédéfini soit dépassé, activant un signal de douleur. » Cela peut permettre l’équivalent de réactions réflexes de base qui n’impliquent pas les systèmes de contrôle de niveau supérieur. Par exemple, les chercheurs ont configuré un bras robotique recouvert de leur peau artificielle, et l’ont fait bouger dès qu’il subit une pression pouvant causer des dommages.
La deuxième couche combine et filtre également les signaux de la peau avant d’envoyer l’information au contrôleur du bras, qui est l’équivalent du cerveau dans cette situation. Ainsi, le même système a fait changer d’expressions un visage robotique en fonction de la pression ressentie par son bras.
Corrections faciles
Beaucoup de détails sur le fonctionnement du système ont été déterminés empiriquement. Par exemple, ils ont appliqué la quantité de pression qui s’enregistre comme douleur dans la peau humaine, et ont déterminé à quelle fréquence leurs capteurs généraient des impulsions. Cela a ensuite été défini comme un seuil pour émettre un signal de douleur au système de contrôle de niveau supérieur, et déclencherait toute réponse réflexe à une pression excessive. Beaucoup de réponses plus élaborées dépendront en fin de compte de la façon dont ces systèmes de niveau supérieur sont programmés. Par exemple, il est facile pour le système de générer un signal indiquant des dommages à un endroit spécifique de la peau ; la façon dont le système global répond à ces dommages n’est pas spécifiée par la peau elle-même.
Mais l’équipe a facilité la réparation en cas de dommages. La peau est conçue pour être assemblée à partir d’une collection de segments qui peuvent s’emboîter en utilisant des verrous magnétiques. Ceux-ci relient automatiquement tout câblage nécessaire, et chaque segment de peau diffuse un code d’identité unique. Ainsi, si le système identifie des dommages, il est relativement facile pour un opérateur de retirer le segment endommagé et de le remplacer par du matériel neuf, puis de mettre à jour toutes les données qui relient l’identifiant du nouveau segment à son emplacement.
Les chercheurs appellent leur développement une peau électronique robotique neuromorphique, ou peau NRE. Le terme neuromorphique est un peu vague, certaines personnes l’utilisant pour désigner une technologie qui suit directement les principes utilisés par le système nerveux. Ce n’est définitivement pas le cas de cette peau. Au lieu de cela, elle utilise neuromorphique de manière beaucoup plus large, le fonctionnement du système nerveux servant d’inspiration au système.
Cela est plus clair dans le cas de l’information positionnelle. Le système nerveux maintient en réalité une carte du corps et relie les entrées sensorielles aux emplacements sur cette carte. La biologie n’utilise rien qui ressemble à l’encodage des informations positionnelles dans les propriétés des pics d’activité qu’utilise la peau NRE. Ainsi, ce système est davantage inspiré de la biologie qu’il n’est un modèle de la biologie réelle.
Il reste également un peu en deçà de la biologie dans sa mise en œuvre actuelle, en ce sens qu’il ne détecte que la pression. La peau réelle peut traiter une variété d’entrées sensorielles différentes, y compris des choses comme les températures, les irritants, et plus encore. Tout cela pourrait potentiellement être ajouté à quelque chose comme la peau NRE, mais cela nécessiterait un système de traitement parallèle pour éviter que les signaux supplémentaires ne se mélangent avec ceux du matériel sensible à la pression.
Cela dit, les processeurs neuromorphiques à impulsions peuvent héberger des réseaux neuronaux et sont beaucoup plus économes en énergie pour le faire. Donc, même avec ses limites, cela semble être un domaine de recherche qui vaut la peine d’être exploré.
