Des robots qui sentent ce qu'ils touchent

Il y a de nombreuses années, la célèbre anthropologue Ashley Montagu écrivait que "la communication que nous transmettons par le toucher est le moyen le plus puissant d'établir des relations humaines". Pourtant, les voici, début mai 2023 : un groupe de chercheurs de l'Université de Bologne qui s'efforce de transmettre le sens du toucher à une machine. Pour ce faire, ils utilisent deux technologies pour doter une main robotique de deux types de sensibilité différents. Le premier, un peu plus grossier, couvrira la majeure partie de la surface de la paume, et le second fournira des informations beaucoup plus riches et complètes sur la fermeté, la rugosité ou la douceur des objets. Cette dernière est transmise du bout des doigts et l'appareil se situera précisément dans cette zone.

Aujourd'hui, dans le Laboratoire de robotique de la Faculté de génie, la chercheuse prédoctorale Alessandra Bernardini travaille non seulement avec une immense patience pour expliquer aux visiteurs comment tout cela fonctionne - de petits capteurs hémisphériques sont fixés, faits d'un matériau semblable à du caoutchouc malléable, qui alimentent l'information informatique sur les propriétés de l'objet qu'il tient - mais elle est également prête à renoncer à deux des fraises qu'elle a apportées avec elle pour le déjeuner pour accompagner la démonstration. Lorsque la main robotique serre le fruit rouge, les phototransmetteurs des capteurs transforment les perturbations du caoutchouc en données qui s'affichent à l'écran sous forme de graphiques linéaires qui se déplacent ensemble et séparément.

A ses côtés, Roberto Meattini, un autre membre de l'équipe, poursuit la démonstration. Une fois qu'une structure rectangulaire est solidement fixée à son poignet droit - à une extrémité, il y a un trou pour insérer la main et à l'extrémité opposée, le prototype robotique est connecté - il commence à se rétracter lentement et à étendre ses doigts. Avec l'aide de Bernardini aux commandes de l'ordinateur, il apprend à la prothèse à lire les mouvements des muscles de l'avant-bras qui dirigent les mouvements de sa main, pour qu'elle puisse ensuite les répéter. Un bracelet positionné un peu en dessous du coude collecte et transmet ces informations au robot via des capteurs sans fil.

Les deux ingénieurs, accompagnés d'une demi-douzaine d'autres collègues et sous la houlette du professeur Gianluca Palli, ne font que faire les premiers pas dans le projet IntelliMan. Ce projet, formé par un consortium de 13 universités, entreprises et centres de recherche de six pays européens, a pour objectif de développer un nouveau système de manipulation basé sur l'intelligence artificielle qui permet aux robots (qu'il s'agisse de prothèses comme la main illustrée ci-dessus ou de machines indépendantes) d'apprendre à la fois de l'environnement et de leur interaction avec les gens. La Commission européenne a choisi le projet parmi les 42 meilleures initiatives d'intelligence artificielle et de robotique lancées dans le cadre du programme Horizon Europe, le plan phare de recherche et d'innovation du continent. Elles ont été sélectionnées pour leur potentiel à "améliorer la société dans laquelle nous vivons en relevant des défis technologiques pertinents", selon le document qui compile les initiatives. Parmi celles choisies figurent des propositions allant d'un grand centre qui tentera d'assurer la sécurité dans la recherche sur l'intelligence artificielle à des idées pour la récupération de l'eau, le recyclage ou le développement de drones pour soutenir les travailleurs de terrain et les employés de maintenance des infrastructures dans des endroits dangereux.

Concernant IntelliMan, le professeur Palli explique dans son bureau de la ville historique italienne quels avantages ils tenteront d'obtenir des 4,5 millions d'euros (4,8 millions de dollars) qu'ils recevront de la Commission entre septembre 2022 et février 2026. Tout d'abord, leur objectif est de créer des membres prothétiques qui permettent à leurs propriétaires d'effectuer facilement des activités quotidiennes, comme tenir un verre ou ouvrir une porte ou un tiroir. La prochaine étape consistera à transférer ces fonctionnalités vers une machine autonome qui pourrait bientôt devenir un assistant robotique à domicile qui mettra le lave-vaisselle en marche tout seul ou débarrassera la table après un repas. L'idée est qu'ils puissent interagir avec les gens, mais personne ne devrait s'attendre à pouvoir discuter avec eux pour le moment. L'objectif est de leur apprendre de nouvelles tâches — leur montrer comment faire quelque chose une fois, pour qu'ils puissent le répéter ensuite — mais aussi de les rendre capables d'adapter ce travail acquis à un contexte changeant. Par exemple, un obstacle sur le chemin qui n'existait pas auparavant, comme un objet plus glissant que le précédent.

Pour que cela se produise, ils ont besoin du sens de la vue – qui peut être résolu avec des caméras et des capteurs – et du sens du toucher plus difficile, sur lequel ils travaillent. Mais il ne s'agit pas seulement d'en doter la machine, mais aussi, dans le cas des prothèses, de permettre à la personne qui l'utilise de la ressentir elle aussi, d'une certaine manière : « Par exemple, nous travaillons sur la transmission de la force de préhension au moyen de moteurs vibrotactiles, qui sont de petits moteurs qui vibrent à différentes amplitudes de fréquence [selon que cette force est supérieure ou inférieure] », explique Meattini, de retour au labo. "C'est quelque chose que même les prothèses les plus avancées du marché ne peuvent pas encore faire", ajoute-t-il.

Les chercheurs travaillent dans un espace rempli d'ordinateurs et de prototypes modernes de machines à la pointe de la technologie, mais il y a aussi de nombreux câbles, du carton, quelques rouleaux de ruban isolant et une grande armoire métallique d'où les ingénieurs sortent toutes sortes d'outils gros, moyens et petits. A côté de cet univers de technologie ultra-moderne, blanche et aseptique, de formes harmonieuses et arrondies qui président à notre imaginaire collectif, ce laboratoire rappelle que le progrès, du moins partiel, se produit encore dans des lieux encombrés de bouchons et d'angles de pincement, d'objets qu'il faut assembler et tester encore et encore pour comprendre comment les faire fonctionner. Ce sont des lieux où se mêlent étudiants, doctorants, chercheurs en herbe et chercheurs chevronnés, travaillant sur des projets simultanés qui convergent et parfois se superposent. Peut-être précisément à cause de tout cela, il est essentiel de décomposer chaque objectif en tâches plus petites pour s'assurer qu'elles sont gérables et avancer pas à pas, mais régulièrement, vers le résultat final.

En ce moment, pour IntelliMan, les ingénieurs qui composent le groupe bolonais se concentrent sur la compréhension du fonctionnement d'une préhension robotique : "Il faut d'abord atteindre l'objet, puis établir un contact et comprendre le contexte qui l'entoure afin de savoir si oui ou non on peut augmenter la force de préhension", explique Meattini. Cela peut se faire de plusieurs manières, dont la plus courante consiste à créer des modèles mathématiques qui décrivent comment le processus peut être entrepris et répété sans échec. "Le problème avec cela est qu'en théorie, cela fonctionne parfaitement, mais dans la vraie vie, vous ne savez pas exactement où cela va toucher, comment cela va le faire. C'est pourquoi nous travaillons sur une approche différente. C'est une intelligence artificielle basée sur des probabilités, afin que nous puissions prendre les mesures des capteurs et les cartographier dans notre modèle probabiliste et le laisser nous dire à quoi devrait ressembler la prise. Le monde réel est probabiliste, ce n'est pas comme une formule", ajoute le chercheur.

Ce monde réel — avec ses échecs, ses écueils imprévus et ses solutions insolites — joue un rôle important dans cette recherche. Cela prend la forme d'ouvriers d'usine partageant les secrets cachés de leurs tâches quotidiennes et d'amputés disant aux scientifiques exactement ce dont ils ont besoin d'une prothèse pour la rendre vraiment utile et ne pas les gêner (le centre de réadaptation spécialisé géré par l'Institut national de prévention des accidents du gouvernement italien près de Bologne, à Budrio, appartient au consortium). Mais l'idée de chercher des approches différentes à des problèmes anciens est aussi très présente — en effet, elle est à la base de tout cet effort collectif. Par exemple, non seulement la machine détecte ce qui se passe autour d'elle, mais surtout, elle sait quoi faire ensuite avec cette information. C'est quelque chose qu'ils essaient de résoudre "en combinant deux approches qui sont maintenant pleinement établies, mais dont nous étudions toujours la connexion", souligne Palli. Et il s'attarde sur l'explication, car c'est une des grandes particularités de son projet.

D'un côté, il y a les approches plus classiques, qui consistent à cartographier et à préconfigurer toute l'activité que le robot va effectuer dans le temps et dans l'espace, c'est-à-dire qu'il va ramasser un objet précis à un moment et le laisser à un autre. "Il est difficile de mettre ces solutions en pratique si vous n'avez pas la connaissance complète du contexte dans lequel vous évoluez", souligne-t-il. C'est tout simplement impossible compte tenu de l'imprévisibilité de la vie quotidienne et de l'interaction avec les gens. Ce qui nous amène à la deuxième approche possible, celle cruciale de l'apprentissage automatique et de l'intelligence artificielle : collecter une grande quantité d'informations contextuelles qui sont transmises à la machine à travers des millions d'exemples afin qu'elle apprenne comment quelque chose est fait. Cela comporte également une limite majeure, selon Palli : cela nécessite une telle richesse de preuves, une telle richesse de données, qu'il peut être possible de compiler si vous faites des recherches, par exemple, dans le domaine de l'économie, où il existe d'innombrables références disponibles. Mais pour une application robotique comme celle qu'ils envisagent, elle n'existe pas et n'est pas à portée de main, car la collecte de ces informations coûte trop cher : elle demande du temps, du matériel, etc.

"Nous essayons en quelque sorte de définir le schéma directeur du robot et, sur la base de très peu d'expériences, de collecter suffisamment de données pour adapter le schéma directeur aux conditions réelles de l'environnement. Mais nous voulons aussi que l'être humain, la personne, soit activement présent dans cet environnement, interagisse avec lui, et l'éduque aussi", résume le coordinateur du projet.

Palli, 46 ans, parle avec l'assurance de quelqu'un qui a passé plusieurs décennies à rechercher des solutions pour créer des robots plus complets et indépendants. Il le fait depuis une institution pionnière dans ce domaine, notamment dans le développement de mains robotiques anthropomorphes qui deviendront de plus en plus fiables, simples et peu coûteuses. Son histoire peut être revue à travers les prototypes présentés dans plusieurs vitrines du laboratoire de robotique de l'université. Du premier, financé en 1988 par IBM Italie — un appareil rudimentaire avec deux doigts parallèles et un pouce opposé contrôlé par des muscles artificiels, des tendons entraînés par divers moteurs et un système de calculatrices et d'équipements électroniques — à l'un des plus récents : une main robotique, mue par un bras sophistiqué avec une transmission par tendon à corde tressée, avec laquelle les chercheurs ont commencé à faire les premiers pas vers l'introduction de capteurs tactiles. En plus de cette base de connaissances antérieure - grâce à tout ce qui a été réalisé, mais aussi à cause de tout ce qui a été écarté en cours de route - nous nous dirigeons maintenant vers une nouvelle génération.

Cependant, le projet mené par Palli va bien au-delà de la main robotique et des prothèses dans leur ensemble. Ils travaillent non seulement sur des robots domestiques, mais aussi sur des applications pour différentes industries. D'une part, ils collaborent avec la chaîne britannique de supermarchés en ligne Ocado sur un robot capable de retirer les fruits d'une grande boîte pour les placer dans de plus petites. Pour cela, il est nécessaire de pouvoir modifier la force de préhension selon que le robot manipule des pommes, des oranges ou des fraises. De plus, ils s'attaquent à quelque chose d'encore plus difficile pour l'industrie automobile (l'équipementier slovène Elvez est un autre partenaire du consortium) : l'assemblage de câbles et de connecteurs, à savoir des matériaux déformables dont la manipulation demande une grande dextérité.

Ils vont dans ce sens. Et la prochaine percée dépendra de la suppression des barrières dans de nombreux domaines scientifiques. Celles-ci vont des mathématiques - pour représenter au mieux le plan pré-assigné des robots et la façon dont il perçoit son environnement - aux développements technologiques parallèles - les capteurs tactiles sont toujours en cours d'avancement et d'amélioration. Pourtant, Palli est particulièrement préoccupé par la façon dont l'interaction entre la machine et l'homme pourrait se dérouler, et à cette fin, le projet est soutenu par une équipe de psychologues.

Le rôle que le toucher assumera dans cette voie dépendra grandement de son développement, encore très rudimentaire pour le moment. Néanmoins, il ne faut pas oublier les mots de l'anthropologue britannique américaine Ashley Montagu sur le pouvoir de ce sens, peut-être le plus complexe de tous, pour la communication humaine. Dans son livre classique Touching: The Human Significance of the Skin, le professeur de l'Université de Princeton décédé en 1999 a également fait des affirmations telles que celles-ci : "Dans l'évolution des sens, le toucher a sans aucun doute été le premier à exister. Le toucher est le parent de nos yeux, oreilles, nez et bouche. [...] comme Bertrand Russell l'a souligné il y a quelque temps, c'est le sens qui nous donne un sens de la réalité. Non seulement notre géométrie et notre physique, mais toute conception de ce qui existe au-delà de nous est basée sur le sens du toucher."

"Je suis d'accord que le toucher deviendra de plus en plus important, car c'est ce qui change totalement le jeu lorsque vous interagissez avec des objets et l'environnement. Je pense que cela débloquera vraiment la capacité des robots à interagir avec l'environnement de manière efficace", estime Palli. Mais pour l'instant, ce que lui et son équipe proposent pour assurer le bon fonctionnement de la relation entre l'homme et la machine, c'est une sorte d'autonomie partagée. De cette façon, la personne qui commence à interagir avec la machine la traite comme un enfant qui doit être éduqué et auquel on donne progressivement plus de latitude pour prendre ses propres décisions. "Cela veut dire que le robot part d'un point où il est totalement dépendant de l'humain, car il ne sait pas faire les choses. L'humain va lui apprendre quoi faire, ce qui donne plus d'autonomie au robot, car il pourra désormais le faire de manière autonome", explique le chercheur. Ce processus renforcera également la confiance de la personne dans le robot.

Lorsqu'on demande à Roberto Meattini dans un cadre social ce qu'il fait dans la vie, il opte généralement pour la version courte : "Je travaille sur l'interaction robot-humain ; j'étudie comment connecter les humains aux robots et vice versa." Car il insiste sur le fait qu'il ne s'agit pas de créer des robots, mais de cette relation, qui sous-tend essentiellement les fondements théoriques des principales disciplines de l'ingénierie des systèmes automatiques avec lesquelles ils travaillent. Dans la thèse de doctorat de l'ingénieur, il fait référence au robot jouet que ses parents lui ont acheté à son cinquième anniversaire. Il est également convaincu de l'importance du toucher sur la voie de l'amélioration : "La capacité de sentir et de répondre au toucher permettra aux robots non seulement de mieux accomplir les tâches de manipulation et les opérations autonomes, mais aussi de comprendre les intentions humaines et de répondre aux besoins humains, conduisant ainsi à des interactions plus intuitives et efficaces."

Cela sonne certainement bien. Mais à ce stade, même si nous parlons à première vue de robots dotés de capacités de base, il est inévitable d'affronter les craintes qui surgissent de plus en plus sur les conséquences potentielles non intentionnelles du développement de l'intelligence artificielle. Après tout, ce sont des robots capables d'apprendre de nouvelles choses. "Nous appliquons des principes éthiques à toutes nos recherches", déclare Palli lorsqu'on lui pose la question. Mais envisagent-ils l'idée de transmettre une sorte d'éthique aux robots ? "Non, pas par principe, on ne travaille pas là-dessus. On travaille sur la sécurité, pour que toutes les tâches qu'ils accomplissent soient faites en toute sécurité", répond-il, avant d'ajouter : "On pourrait dire qu'on travaille sur une exigence éthique fondamentale."

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