iCub avec des enfants dans une salle de classe.

iCub, le robot qui apprend à coopérer avec l’homme

Voilà six ans qu’iCub est arrivé dans le laboratoire Robot et cognition à l’Institut cerveau et cellules souches de Lyon. Doté de multiples capteurs, d’un cerveau simplifié et de commandes motrices évoluées, ce robot humanoïde a appris beaucoup de choses en découvrant le monde comme un enfant. Aujourd’hui, il est capable de comprendre ce qu’on lui dit et de coopérer avec des êtres humains. Peter Ford Dominey, le directeur du laboratoire, retrace les grandes étapes franchies par son protégé et dévoile les prochaines étapes de son apprentissage.

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Cela n’a l’air de rien, mais la petite expérience (vidéo ci-dessus) menée par Anne-Laure Mealier, doctorante dans le laboratoire dirigé par Peter Ford Dominey, constitue une véritable prouesse dans le domaine de la robotique cognitive. Cette séquence fait en effet appel à de nombreuses compétences : perception, mémorisation, représentation dans l’espace et dans le temps, motorisation… Pour prendre la mesure de la performance réalisée dans cette expérience, il convient de la décomposer en plusieurs phases.

Une expérience plus complexe qu’elle en a l’air

Phase 1 : la compréhension de la consigne. La chercheuse sollicite l’attention du robot, qui lui répond : « Je suis prêt. Dis-moi une phrase. » Elle lui donne ensuite un ordre simple pour nous, mais complexe pour un robot : « Avant de pousser le crocodile vers la droite, montre le cube. » Cette phrase contient en effet deux objets distincts associés à des notions d’espace (gauche/droite) et de temps (avant/après). Tel un bon élève, iCub répète la consigne de sa voix synthétique, s’assure qu’il a bien compris, énonce les actions qu’il doit faire et dit qu’il va faire ce qui lui a été demandé.

Phase 2 : l’action. iCub montre d’abord le cube avec l’index de sa main gauche et, de son autre main, pousse le crocodile vers la droite, conformément à la consigne qu’il a reçue.

Phase 3 : la mémorisation. Une fois sa mission accomplie, iCub demande à l’opératrice si elle a une autre question à lui poser. Celle-ci l’interroge alors sur ce qui vient de se passer, et le robot « raconte l’histoire », comme s’il avait des « souvenirs ». « Cette expérience montre qu’iCub est non seulement capable d’avoir une représentation mentale de la séquence qu’il vient d’accomplir, explique Peter Ford Dominey, mais qu’il peut l’intégrer dans ce que nous appelons sa mémoire autobiographique, autrement dit son expérience de robot. »

Un robot qui découvre le monde comme un enfant

Mais pour en arriver là, il a fallu des années de travail. iCub est un petit robot humanoïde qui a la taille et le poids d’un enfant de trois ans et demi (cub signifie le petit d’un animal en anglais). Il est équipé de 54 moteurs qui contrôlent 76 articulations, ce qui lui confère une grande souplesse de mouvement. Mais son point fort, ce sont ses multiples capteurs, qui lui permettent d’avoir l’équivalent de nos sens : caméras pour voir, microphones pour entendre, gyroscope pour se repérer dans l’espace, accéléromètre pour prendre en compte les mouvements, capteurs de force pour intégrer la pression exercée sur ses membres et même une « peau » sensible aux contacts. « Si les capteurs sont aussi importants chez iCub, indique Peter Ford Dominey, c’est parce que nous avons souhaité le placer dans les mêmes conditions qu’un enfant qui découvre le monde et apprend à interagir avec lui. »

Qui est le papa d’iCub ?

iCub et son concepteur Giorgio Metta, de l'Institut italien de technologie (IIT)
©IIT

iCub a un papa, et il est italien comme celui de Pinocchio. Son nom : Giorgio Metta, chercheur à l’Institut italien de technologie. C’est lui qui, avec son équipe, a conçu et réalisé ce robot de recherche. Mais il n’est pas tout seul. Financé à hauteur de 8,5 millions d’euros par l’Union européenne entre 2004 et 2010, iCub est le fruit d’une collaboration entre 11 laboratoires européens réunis au sein du consortium RobotCub, représentant des disciplines aussi variées que la psychologie développementale, la neurophysiologie ou l’informatique. Après cinq années de développement, iCub a été mis à la disposition de six laboratoires européens en 2009 afin de poursuivre son développement dans différents domaines de la robotique cognitive.
> Le site du consortium RobotCub

Lorsqu’il est arrivé au Robot Cognition Laboratory, en 2009, iCub ne savait pas faire grand chose de ses dix doigts. Tout ce dont il est capable aujourd’hui, il l’a appris, pas à pas, comme un enfant. D’une certaine manière, on peut dire qu’iCub est devenu un « membre » essentiel de l’équipe de Peter Ford Dominey. Pas moins de dix chercheurs, doctorants et post-doctorants travaillent en permanence à son « éducation ». Leur objectif : mieux comprendre comment le cerveau fonctionne quand il apprend et implanter ce mode de fonctionnement dans un robot. « Pour cela, nous collaborons avec des équipes qui étudient le développement cognitif chez l’enfant et d’autres qui travaillent sur les réseaux neuronaux mobilisés dans les fonctions cognitives », poursuit Peter Ford Dominey.

Six années de patients apprentissages

Retraçons à grands traits les étapes franchies par iCub depuis qu’il a franchi la porte du laboratoire. Il a d’abord appris à reconnaître une action simple exécutée par un opérateur, telle que montrer un objet du doigt, le saisir ou le poser. A l’issue de cette phase, il était capable d’associer l’action «prendre un objet » à une séquence de mouvements au cours de laquelle une main s’approche de l’objet, établit un contact, puis le lâche. La deuxième étape de son apprentissage a consisté à imiter ces actions en faisant intervenir ses commandes motrices. Elle s’est poursuivie par le développement de capacités de coopération avec un opérateur. Enfin, l’intégration du langage à l’interaction homme-robot, via l’acquisition de rudiments de syntaxe, l’a doté d’un degré supplémentaire d’autonomie. Aujourd’hui, il va encore plus loin. Comme on l’a vu dans la vidéo initiale, il est capable d’enregistrer ses expériences dans sa mémoire autobiographique. Résumé par Peter Ford Dominey, cela donne : « Au début, iCub était capable d’assembler une table Ikea en exécutant les instructions qui lui étaient données. Ensuite, il a pu anticiper les tâches à effectuer pour ces assemblages, car il les avait mémorisées. Puis il a appris à reconnaître les mots et la syntaxe de la consigne qu’on lui donnait. Aujourd’hui, il est capable de donner du sens à de nouvelles situations à partir de son expérience. »

Prochaine étape : l’acquisition de la conscience de soi

Pour diriger cet apprentissage de longue haleine, l’équipe de Peter Ford Dominey s’appuie sur les travaux menés dans plusieurs champs connexes à la robotique. L’apprentissage de la syntaxe s’est ainsi inspiré de travaux en sciences cognitives portant sur le fonctionnement des neurones de l’aire de Broca, une région du cortex cérébral connue pour son implication dans le langage. « Chez les primates, les neurones du cortex sont très interconnectés», explique ainsi Peter Ford Dominey. Cela leur permet de traiter les informations en boucles récurrentes, ce qui confère au cerveau des primates une grande sensibilité à l’ordre des événements. Cette caractéristique est importante pour la syntaxe. »

Cependant, même s’il progresse vite, iCub a encore un long programme d’apprentissage devant lui. Comme cadre théorique du prochain module, Peter Ford Dominey entend s’inspirer des travaux du psychologue américain Ulric Neisser, qui a défini cinq niveaux de conscience de soi (self). « Un des grands enjeux pour que le robot intègre des qualités sociales est l’acquisition de la notion de soi, qui permettrait au robot d’avoir des interactions réelles avec autrui », conclut-il. L’acquisition d’une mémoire autobiographique, telle qu’on l’observe dans l’expérience présentée au début de cet article, est la première étape de la construction d’un self chez un robot.

Yarp : une plateforme pour partager les logiciels

Le projet iCub est également innovant par son caractère collaboratif. A ce jour, 25 équipes de recherche travaillent à travers l’Europe au développement d’iCub. Pour partager leurs découvertes, elles ont créé une plate-forme robotique open source dénommée Yarp. Ainsi, chaque fois qu’un nouveau logiciel est mis au point dans un laboratoire, il est mis à la disposition de l’ensemble de la communauté via la plateforme Yarp. L’équipe de Peter Ford Dominey a ainsi utilisé un logiciel mis au point au laboratoire de Plymouth au Royaume-Uni pour réaliser l’expérience dans laquelle iCub se remémore la séquence d’actions qu’il vient de réaliser (notre vidéo).

Pour aller plus loin

 

>> « Les robots ne sont plus des individus sans histoire », interview de Peter Ford Dominey pour le site Sciences pour tous de l’université Claude-Bernard Lyon 1 (2014)

>> 10e anniversaire d’iCub, résumé en images des progrès réalisés en dix ans par le petit robot, chaîne Youtube de la plateforme iCub.org (2014)

>> « iCub à l’école des humains », reportage vidéo réalisé par la chaîne Universcience.tv (2009)

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Chercheur(s)

Peter Ford Dominey

Titulaire d’un doctorat en neurosciences computationnelles de l'Université de Californie du Sud, Peter Ford Dominey est directeur de recherche à l’Institut cerveau et cellules souches de Lyon (SBRI, Inserm U846). Ses travaux portent notamment sur les modèles de traitement du langage. Il utilise des robots humanoïdes pour tester des modèles neuronaux relatifs aux fonctions cognitives du cerveau.

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Laboratoire

Institut de recherche cellule souche et cerveau (SBRI)

Le SBRI cherche à définir les caractéristiques du cortex humain, de son développement à l’organisation des réseaux neuronaux qui le composent et rendent possible les fonctions cognitives supérieures. Pour cela, il fait appel à de nombreuses disciplines : biologie cellulaire et moléculaire, neuroanatomie, neurophysiologie, psychophysique, comportement, psychologie expérimentale, neurocomputation, modélisation et robotique. Le SBRI est dirigé par Colette Dehay et Henry Kennedy.

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