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CurvACE, l’œil artificiel qui fait mouche

Pour la première fois au monde, un consortium de recherche européen a présenté le premier œil artificiel entièrement fonctionnel inspiré de celui de la mouche.

 
CurvACE est le premier œil composé artificiel capable de mesurer le défilement des objets dans son champ visuel panoramique, comme le fait un insecte en vol. © DR

Quatre années de recherches, c’est ce qu’il aura fallu aux scientifiques de quatre structures européennes (EPFL de Lausanne, Fraunhofer Institut de Jena, Université de Tübingen, CNRS, université d’Aix-Marseille) pour mettre au point un bijou d’optique et de microélectronique inspiré du système visuel de la mouche. Cet œil artificiel, baptisé CurvACE (pour Curved Artificial Compound Eyes), a été dévoilé le 20 mai par les Proceedings of the National Academy of Science (PNAS). « D’accord, il n’arrive que 100 millions d’années après l’œil de la mouche, qui lui a servi de modèle, mais il en possède de nombreuses qualités ! », sourient deux de ses principaux concepteurs, Stéphane Viollet et Franck Ruffier, bio-roboticiens de l’Institut des sciences du mouvement de Marseille (1), un laboratoire qui étudie depuis plus de vingt ans le système visio-moteur de la mouche.

630 petits yeux artificiels

CurvACE est en effet le dernier-né des systèmes de vision artificielle inspirés du monde vivant, également appelés bioinspirés (voir encadré). Mais, selon ses concepteurs, CurvACE présente une rupture majeure par rapport à tous ceux qui l’ont précédé, et ses concurrents actuels.

 
L'œil artificiel CurvACE mesure 12,8 mm de diamètre. Il pèse à peine 1,75 g malgré une importante électronique embarquée. © F. Expert et F. Ruffier

« C’est le seul qui soit à la fois recourbé comme celui de la mouche, lui offrant un champ visuel panoramique, qui capture des images à très haute vitesse lui permettant une vision en mouvement, et qui fonctionne dans une grande gamme d’éclairage ambiant, allant du clair de lune au plein soleil. De plus, il est capable de prendre des décisions en temps réel face aux obstacles, ce qui le rend entièrement fonctionnel en situation de déplacement, contrairement à tous les autres systèmes existants », détaillent les deux chercheurs, entourés d’aéronefs miniatures et de microscopes qui leur permettent d’étudier le système nerveux des mouches.

Pour parvenir à ce résultat, concentré dans un petit objet cylindrique de la taille d’une pièce de deux centimes d’euros (12,8 mm de diamètre, 1,75 gramme), les chercheurs ont fait appel aux derniers progrès technologiques et scientifiques. Ainsi, l’œil artificiel européen est composé de 630 « yeux élémentaires », appelés ommatidies, disposés en 42 colonnes de 15 capteurs chacune. De taille micrométrique, chaque ommatidie est composée d’une lentille de 172 microns, associée à un pixel électronique de 30 microns de diamètre. Miniaturisés et compactés à l’extrême, ces capteurs possèdent des propriétés optiques poussées. Ils sont capables, en particulier, de s’adapter à des conditions d’éclairage très variées, comme les facettes de l’œil de mouche qui leur ont servi de modèle. Grâce à eux, CurvACE peut distinguer des objets de l’ordre du centimètre, une précision suffisante pour éviter, en situation de déplacement, d’éventuelles collisions. De plus, il bénéficie d’une importante profondeur de champ, percevant indifféremment son environnement depuis quelques centimètres de distance jusqu’à plusieurs mètres.

Un fonctionnement bio-inspiré

Les yeux composés d'une mouche © Wikimedia Commons

Une autre innovation de CurvACE réside dans la technologie spécifique qui a permis d’assembler ses « facettes artificielles ». Les chercheurs ont en effet associé un circuit micro-électronique contenant les pixels avec une matrice optique comprenant les micro-lentilles, le tout fixé sur un support souple… Par un découpage ultra-précis, les colonnes de pixels avaient au préalable été séparées. Grâce à sa souplesse, le circuit imprimé obtenu a pu être recourbé, pour donner à l’œil artificiel sa forme cylindrique, proche de celle qui existe dans la nature… Ainsi, l'œil est capable de balayer largement son environnement : CurvACE « voit » dans un champ horizontal de 180° et vertical de 60°. Mais surtout, cette courbure a permis aux chercheurs d’intégrer, dans la cavité interne de l’œil artificiel, de la micro-électronique embarquée. « Grâce à ce micro-calculateur de bord, CurvACE est capable de traiter et d’analyser en temps réel les données visuelles issues des capteurs, puis de transmettre, en fonction de ce qu’il perçoit, des commandes de mouvement au robot sur lequel il est installé. Cela permet aussi de le reprogrammer à volonté, en fonction des tâches à réaliser, pour une vision plus ou moins panoramique, centrale ou latérale », expliquent Franck Ruffier et Stéphane Viollet.

L'œil artificiel CurvACE est capable de s'adapter aux variations de lumière.

Une plasticité, une autonomie et une fonctionnalité que ne possèdent pas ses concurrents (voir encadré). Car de son modèle biologique, celui de la mouche, l’œil artificiel CurvACE a aussi hérité une aptitude majeure : l’enregistrement du flux optique, c’est-à-dire du défilement de l’environnement observé par l’insecte du fait de son propre mouvement. Dans la nature, cela permet aux mouches et autres libellules d’éviter des obstacles ou d’adapter leur altitude aux irrégularités du sol. Résultat : une augmentation ou une diminution de la fréquence de leurs battements d’ailes de manière réflexe, ou un changement de direction. En transférant pour la première fois cette capacité de mesure du flux optique sur CurvACE, ses concepteurs l’ont rendu véritablement bio-inspiré. Pas seulement dans sa forme, comme c’est le cas de nombreux systèmes artificiels mimant la nature, mais aussi dans son fonctionnement.

Objectif : sortir du laboratoire

Le robot volant BeeRotor mis au point à l'Institut des sciences du mouvement de Marseille © F. Expert et F. Ruffier

Installé sur des robots de l’ISMM et de l’EPFL, CurvACE a fait ses preuves expérimentalement, démontrant par exemple qu’il pouvait lire jusqu’à 1000 images par seconde, à des vitesses compatibles avec le vol d’un aéronef autonome. Prochaine étape : lui faire prendre son envol hors du laboratoire. L’ISMM travaille ainsi, en partenariat avec des constructeurs automobiles, à des applications d'assistance anti-collision frontale, ou de parking automatique. Autre domaine visé, celui de l’inspection d’ouvrages d’art. Un aéronef doté de l’œil Curvace pourrait efficacement intervenir dans une zone difficile d’accès, détectant les obstacles pour les éviter « naturellement », sans nécessiter de télécommande. Enfin, l’EPFL prépare des applications robotiques dans les domaines de l'assistance aux personnes mal voyantes, afin de leur permettre de détecter plus efficacement des obstacles, et la domotique.

La course mondiale à l’œil bionique

Œil artificiel mis au point par l'équipe dirigée par John Rogers, à l'université de l'Illinois © University of Illinois and Beckman Institute

À travers le monde, plusieurs laboratoires se livrent à une course effrénée à l’œil artificiel le plus performant. L’enjeu est de taille, stratégiquement et financièrement : équiper les futurs robots civils et militaires, qu’ils soient terrestres, aériens ou spatiaux, de systèmes de vision artificielle afin de leur conférer une véritable autonomie. Dernier épisode de cette compétition, le match à distance auquel se sont livrés les Européens du projet CurvACE et une équipe nord-américaine dirigée par John Rogers, de l’université de l’Illinois. Cette dernière a dévoilé, le 2 mai dans Nature, son prototype de micro-caméra inspirée, comme CurvACE, de l’œil de mouche.

Doté d’une couche de capteurs élémentaires (microlentilles associées à des photodétecteurs électroniques), empilée sur un circuit imprimé et une structure gonflable lui conférant une forme arrondie et modulable, l’œil artificiel de John Rogers possède une vision panoramique, comme CurvACE. Mais ce dernier lui est pourtant supérieur dans plusieurs domaines. Tout d’abord, le nombre d'« yeux élémentaires » qui le composent, ou ommatidies : 630, contre seulement 180 à son concurrent américain, d'où une résolution quatre fois supérieure… Certes, on est loin de la résolution de l’œil d’insecte, 20 000 facettes par exemple chez la libellule, ou même d’une caméra haute résolution (2 millions de pixels). « Mais la finalité n’est pas la même, puisqu’il s’agit pour les yeux artificiels de fournir des informations utiles pour la navigation », argumente Stéphane Viollet. C’est là que le système européen se démarque : « Dépourvu d’unité de calcul embarquée, l’œil américain a besoin d’un ordinateur extérieur, et de temps de calcul prolongés, pour traiter les signaux et reconstruire les images. Il ne peut donc pas être installé en l’état sur un robot autonome, contrairement à CurvACE. De plus, il ne possède pas les mêmes pixels auto-adaptatifs que ce dernier, semblable aux photorécepteurs de la mouche, de la tortue ou de l'homme, et capable de compenser de fortes variations d'éclairage ambiant ». L’œil européen semble donc posséder un bon photon d’avance… En tout cas pour l’instant.

(1) Associés au Centre de physique des particules de Marseille (CPPM).

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