Le futur des robots volants

Dans leur labo de l'Université de Pennsylvanie, Vijay Kumar et son équipe ont créé des robots capables de voler en autonomie, inspirés des abeilles. Leur dernier terrain de jeu ? L'agriculture de précision. Des essaims de robots cartographient, reproduisent en 3D et analyse chaque plante et fruit d'un verger, fournissant aux agriculteurs des informations cruciales pour améliorer leurs rendements et rendre plus efficace leur gestion de l'eau.

Dans mon labo, on construit des robots
qui peuvent voler en autonomie,

comme celui que vous voyez ici.

Contrairement aux drones que l'on peut
acheter dans le commerce de nos jours,

celui-ci n'est pas équipé de GPS.

Donc, sans GPS,

c'est difficile pour ce genre de robot
de déterminer sa position.

Il est donc équipé de capteurs,
caméras et lasers,

utilisés pour scanner son
environnement.

Le robot détecte ce qui se trouve
autour de lui,

et utilise ces données
pour déterminer sa position relative

simplement en triangulant.

Il peut ensuite créer une carte
à partir de ces données,

comme celle qui s'affiche derrière moi.

Cette carte permet ensuite au robot de
savoir où se trouvent les obstacles

et donc de naviguer en évitant
les collisions.

Maintenant, je voudrais vous montrer

une série d'expériences réalisées
dans notre laboratoire,

où ce robot a pu parcourir
des distances plus grandes.

En haut à droite, vous pouvez voir
ce que le robot voit à travers la caméra.

Et sur l'écran principal,

- la vitesse de la vidéo est multipliée
par quatre -

vous pouvez voir la carte
que le robot dessine.

On a donc une carte en haute résolution
du couloir autour du labo.

Et bientôt, vous allez le voir
entrer dans le labo,

que l'on reconnaît facilement
au désordre qui y règne.

(Rires)

Ce que je voulais vous faire comprendre,

c'est que ces robots sont capables
de dessiner des plans en haute résolution

à 5 cm près,

ce qui permet à quelqu'un à l'extérieur
du laboratoire ou même du bâtiment

de les contrôler sans avoir besoin
d'aller à l'intérieur,

et d’interagir avec ce qui se passe dans
le bâtiment.

Cela dit, ces robots posent un problème.

D'abord, ils sont grands.

Donc, ils sont lourds.

Et ils consomment environ
100 watts par livre,

donc les missions ne peuvent
être que très courtes.

Ensuite, les capteurs
dont ils sont équipés

finissent par revenir très cher :

un scanneur laser, une caméra,
plus les processeurs.

Cela augmente encore le prix du robot.

Donc nous nous sommes posé la question :

quel bien de consommation peut-on
acheter dans un magasin d'électronique,

qui soit bon marché, léger, programmable,
et dispose de capteurs ?

Et nous avons inventé le téléphone volant.

(Rires)

Ce robot utilise donc un Samsung Galaxy,
que vous pouvez acheter en magasin,

et tout ce dont vous avez besoin est
de télécharger notre application.

Vous pouvez voir ce robot lire
les lettres « TED »,

observer les coins du T et du E,

et voler en autonomie,
en se repérant grâce à ça.

La manette est juste là au cas où :
si le robot bascule du côté obscur,

Giuseppe pourra l'éliminer.

(Rires)

En plus de ces petits robots,

nous travaillons sur des comportements
plus agressifs, comme celui-ci.

Ce robot se déplace à deux ou trois
mètres par seconde,

et il tangue et roule agressivement
quand il change de direction.

L'essentiel, c'est que nous pouvons
construire de robots plus petits,

qui se déplacent très vite dans
des milieux sans structure.

Dans la vidéo suivante,

tout comme cet aigle coordonne avec grâce

ses ailes, ses yeux et ses serres pour
sortir sa proie de l'eau,

vous pouvez voir notre robot
partir à la pêche.

(Rires)

Dans son cas, il attrape
un sandwich au vol.

(Rires)

Ce robot vole donc à environ 3 m/s,
c'est-à-dire plus vite que

quelqu'un qui marche, en coordonnant
ses bras, ses pinces et son vol

avec un timing à la seconde près qui lui
permet d'effectuer cette manœuvre.

Dans une autre expérience,

je veux vous montrer comme le robot
adapte son plan de vol

pour contrôler son chargement
en suspension,

qui est plus long que la hauteur de
la structure dans laquelle il doit passer.

Pour accomplir cet exploit,

il doit tanguer, ajuster son altitude,
et faire passer le chargement

avec un effet de balancier.

Mais bien sûr, nous avons voulu faire
encore plus petit,

en nous inspirant particulièrement
des abeilles.

Regardez les abeilles,
dans cette vidéo ralentie.

Elles sont si petites,
et soumises à si peu d'inertie,

(Rires)

qu'elles n'en ont rien à faire :
elles rebondissent sur ma main.

Ce petit robot imite le comportement
des abeilles.

Et plus il est petit, mieux c'est,

car l'inertie diminue avec la taille.

Et plus l'inertie est faible...

(Le robot bourdonne - Rires)

Plus l'inertie est faible,
mieux vous résistez aux collisions.

Et cela vous rend plus solide.

Donc nous construisons des petits robots,
comme des abeilles.

Celui-ci, par exemple, ne pèse que 25 g,

ne consomme que 6 W,

et peut voler jusqu'à 6 m/s.

Donc, si on met ça à l'échelle,

cela correspond à un Boeing 787 qui irait
à 3 fois la vitesse du son.

(Rires)

Je vais vous montrer un exemple.

Voici probablement la première collision
en vol planifiée, ralentie 20 fois.

La vitesse relative des robots
est de 2 m/s,

ce qui illustre ce principe de base.

La cage en fibre de carbone, qui pèse 2 g,
évite aux hélices de s'emmêler,

mais l'essentiel du choc est absorbé,
et le robot réagit à la collision.

Donc, plus petit veut aussi dire plus sûr.

Dans mon labo,
pour développer ces robots,

nous avons commencé avec des gros,

et maintenant nous en faisons
des tout petits.

Et si vous faites un graphique
de notre consommation de pansements,

vous verrez qu'elle est
quasiment nulle maintenant.

Tout ça parce que ces robots sont
vraiment sûrs.

Leur petite taille a ses inconvénients,

mais la nature a trouvé
des moyens de les compenser.

L'idée est de former de larges
groupes, des essaims.

Donc, au labo, on essaye de faire la même
chose, et de créer des essaims de robots.

C'est un gros défi,

parce qu'il faut réfléchir en termes de
réseau de robots.

Et pour chaque robot,

il faut penser à la combinaison des sens,
de la communication, de la programmation.

Le réseau devient vite difficile
à contrôler et manœuvrer.

Donc nous nous inspirons des principes
d'organisation de la nature

pour développer nos algorithmes.

La première idée est que chaque robot
prenne son voisin en compte.

Il doit être capable de sentir
et de communiquer avec ses voisins.

Cette vidéo illustre cette idée.

Il y a quatre robots,

et l'un d'entre eux a été littéralement
détourné par un agent humain.

Mais puisque les robots interagissent
les uns avec les autres,

ils localisent leur voisin,

et suivent le mouvement.

Et une seule personne peut contrôler
tout un réseau.

Encore une fois, ce n'est pas parce que
tous les robots savent où ils vont.

Ils réagissent juste
à la position de leurs voisins.

(Rires)

La prochaine expérience illustre
le deuxième principe d'organisation.

Ce principe, c'est celui de l'anonymat.

L'idée est la suivante :

les robots se fichent
de l'identité de leurs voisins.

On leur a demandé de former un cercle,

et quel que soit le nombre de robots
ajoutés à la formation,

ou retirés,

chaque robot réagit simplement
par rapport à son voisin.

Il sait qu'il doit former un cercle,

mais en collaborant avec ses voisins,

il forme le cercle
sans coordination globale.

Donc, si on tient compte
de ces deux idées,

la troisième est que
nous donnons à ces robots

des descriptions mathématiques
de la formation à exécuter.

Ces formes peuvent varier dans le temps,

et vous verrez les robots
commencer par un cercle,

pour passer à un triangle,
s'étirer en ligne,

et finalement revenir à une ellipse.

Et ils font ça
avec la même coordination instantanée

que l'on trouve dans les vrais essaims,
dans la nature.

Mais pourquoi travailler
avec des essaims ?

Laissez-moi vous parler des deux
applications qui nous intéressent le plus.

La première concerne l'agriculture,

qui est certainement le défi mondial
le plus important.

Comme vous le savez,

une personne sur sept est en situation
de malnutrition.

Nous cultivons presque
toutes les terres cultivables.

L'efficacité de nombreux systèmes mondiaux
ne cesse de s'améliorer,

mais notre système de production
est en déclin.

Cela vient principalement du manque d'eau,
des maladies, du changement climatique,

et d'autres facteurs.

Qu'y peuvent les robots ?

Nous avons adopté une approche appelée
l'agriculture de précision.

Le principe est de faire voler
des robots dans des vergers,

pour construire des modèles
informatiques précis de chaque plante.

Comme avec la médecine personnalisée,

où l'on traite chaque patient
individuellement,

nous voulons modéliser chaque plante,

pour pouvoir dire à l'agriculteur
ce dont elles ont besoin individuellement.

Ici, ce serait de l'eau, de l'engrais
ou des pesticides.

Vous pouvez voir un robot se déplacer
dans une plantation de pommiers,

et vous apercevrez bientôt
deux de ses compagnons,

qui font le même travail à gauche.

En gros, ils sont en train
de construire une carte du verger.

A l'intérieur de la carte,
il y a une carte de chacun des arbres.

(le robot bourdonne)

Jetons un œil à ces cartes.

Dans la vidéo suivante, vous verrez
les caméras utilisées par ce robot.

En haut à gauche,
une caméra classique ;

au milieu, une caméra infrarouge ;

et en bas, une caméra thermique.

Sur l'écran principal, vous voyez
la reconstruction en 3D

de chaque arbre du verger,
créée au fil de l'avancée des capteurs.

Avec ces informations,
nous pouvons faire de nombreuses choses.

La première chose, qui est sans doute
la plus importante, est très simple :

compter le nombre de fruits
sur chaque arbre.

Quand l'agriculteur peut savoir combien
de fruits il y a sur chaque arbre,

il peut évaluer le rendement du verger,

et donc optimiser
la chaîne de production en aval.

Nous pouvons aussi
prendre les mesures des plantes,

les reproduire en 3D,

et ainsi évaluer la taille de la canopée,
puis mettre en relation

la taille de la canopée et
le nombre de feuilles sur chaque plante.

On appelle cela
l'indice de surface feuillue.

Avec cet indice de surface feuillue,

on peut mesurer la capacité
de photosynthèse de chaque plante,

ce qui indique leur niveau de santé.

En combinant les informations
visuelles et infrarouge,

on peut aussi calculer des indices
comme le NDVI.

Dans ce cas, on peut voir

que certaines plantes ne vont pas
aussi bien que d'autres.

On peut le voir facilement sur l'image,

qui n'est pas seulement visuelle,
mais combine

à la fois les images visuelles
et l'infrarouge.

Enfin, une des choses
qui nous intéresse est

la détection des premiers
symptômes de la chlorose,

on a pris un oranger en exemple,

qui se manifeste par
un jaunissement des feuilles.

Les robots qui volent au-dessus
des plantes peuvent la repérer facilement,

et informer l'agriculteur
qu'il a un problème

dans cette partie du verger.

Ce genre de système peut être très utile,

et nous pensons pouvoir augmenter
les rendements d'environ 10 %,

et, surtout, diminuer les dépenses,
en eau par exemple, d'au moins 25%.

Tout ça grâce
aux essaims de robots volants.

Pour finir, je vous demande d'applaudir
ceux qui créent le futur :

Yash Mulgaonkar, Sikang Liu
et Giuseppe Loianno,

qui ont réalisé les trois démonstrations
que vous avez vues.

Merci.

(Applaudissements)