Des chercheurs de l’université de Bristol ont construit un modèle physique à partir de simples moteurs électriques pour étudier la coordination des muscles. Selon leurs travaux, publiés dans la revue Interface de la Royal Society, cette coordination pourrait émerger d’elle-même de la configuration du système, sans avoir à être programmée, et inspirer la robotique.
- Des chercheurs de Bristol ont modélisé la coordination musculaire avec des moteurs électriques.
- Cette coordination émerge de la configuration du système, sans programmation.
- Les moteurs agissent sans communication directe, grâce à une structure mécanique commune.
- Ce principe pourrait permettre de concevoir des robots aux actionneurs plus simples.
Les muscles transforment l’énergie chimique en mouvement et produisent une force régulière, alors même qu’ils sont constitués d’un très grand nombre de petits composants moléculaires. Lorsque la charge varie, ils s’adaptent sans vaciller ni céder.
Au cœur du muscle se trouve le sarcomère, unité élémentaire de production de force, formé de filaments d’actine et de moteurs moléculaires appelés myosine. Ces moteurs s’accrochent, tirent et relâchent à répétition les câbles d’actine, ce qui permet la contraction des fibres musculaires.
Plutôt que de reproduire la chimie de la myosine, les chercheurs l’ont représentée par un « rotor » qui ne contribue que lorsqu’il est relié mécaniquement à une « colonne vertébrale » physique. Leur dispositif de table réunit une rangée de petits moteurs électriques reliés par une structure mécanique commune, qui tirent contre un fluide épais, une résistance comparable à celle subie par les moteurs biologiques.
Les moteurs ne restent pas connectés en permanence : chacun pousse brièvement la structure mobile, puis la lâche. Cette structure transmet ainsi l’effet d’un moteur au suivant, sans communication directe entre eux.
Une coordination sans chef d’orchestre
Dans ce système simplifié, plusieurs comportements proches de ceux du muscle apparaissent spontanément. Lorsque la résistance augmente, les moteurs développent collectivement une relation entre charge et vitesse, et davantage d’unités contribuent à l’effort. Dans certaines conditions, le mouvement devient saccadé, avec des phases de traction interrompues par des glissements soudains. Le système peut aussi former des ondes de coordination qui se propagent le long du dispositif.
Les chercheurs rapprochent cette organisation de celle des flagelles et des cils, prolongements microscopiques de certaines cellules eucaryotes, comme la queue du spermatozoïde. Là encore, des moteurs moléculaires sont répartis le long d’une structure, l’axonème, qui transforme leur activité en ondes de flexion. Chez le spermatozoïde, ces ondes sont essentielles à la mobilité et à la fertilité, tandis que les cils font circuler les fluides dans les voies respiratoires, avec des liens avec la santé et la maladie.
Des pistes pour la robotique
En robotique, faire coopérer de nombreux actionneurs, c’est-à-dire les « muscles » d’un robot qui convertissent une source d’énergie comme l’électricité en mouvement, reste difficile et coûteux. Capteurs, boucles de rétroaction et algorithmes de contrôle sont souvent nécessaires, ce qui peut rendre l’ensemble fragile et sujet aux erreurs.
Selon les auteurs, un modèle où la coordination émerge de la configuration laisse entrevoir des actionneurs plus simples. Cette piste correspond aux recherches sur les robots souples, qui utilisent des matériaux flexibles, et sur les muscles artificiels destinés à la robotique. Les chercheurs estiment que ce principe pourrait être exploité, vers des machines dont le corps contribue à façonner leurs mouvements.
