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112 | 2013
Annuaire du Collège de France 2011-2012
Résumé des cours et travaux 112e année
III. Chaires annuelles

Innovation technologique - Liliane Bettencourt

Jean-Paul Laumond
p. 755-762

Notes de la rédaction

Les enregistrements vidéo des cours et des séminaires sont disponibles sur le site Internet du Collège de France : www.college-de-france.fr/site/jean-paul-laumond/. La leçon inaugurale est éditée sous forme imprimée (Fayard/Collège de France, 2013) et numérique (Collège de France, 2013 ; en ligne : http://books.openedition.org/cdf/498). Elle est également disponible sous forme audio et vidéo sur le site Internet du Collège de France : http://www.college-de-france.fr/site/jean-paul-laumond/inaugural-lecture-2012-01-19-18h00.htm

Texte intégral

Robotique : les fondations d’une discipline

1La robotique traite du rapport que peut entretenir avec le monde réel une machine qui bouge et dont les mouvements sont commandés par un ordinateur. Ainsi le robot se distingue-t-il à la fois de l’automate, dont les mouvements sont mécaniquement déterminés, et de l’ordinateur, qui manipule des informations mais ne bouge pas.

2Quel degré d’autonomie peut-on attendre de telles machines ? La question a fait l’objet des cours. Elle n’épuise pas toute la robotique, mais elle en rend compte pour une grande partie. Quelques séminaires et deux colloques ont apporté des éclairages complémentaires.

50 ans d’histoire

3La robotique a 50 ans. Plus exactement, elle a 51 ans. Si le mot robot apparaît tôt au siècle dernier et nourrit, depuis, l’imaginaire collectif, on s’accorde à dater la naissance de la robotique de l’introduction, en 1961, du premier robot industriel sur les chaînes de montage de General Motors. Il s’agit du robot Unimate issu d’un brevet déposé par George Devol et industrialisé par Joseph Engelberger, reconnu comme le père fondateur de la robotique.

4En France, à la même époque, Jean Vertut étudie au Commissariat à l’énergie atomique (CEA) la possibilité de commander à distance un bras manipulateur chargé d’explorer les zones irradiées des centrales nucléaires. Ce bras n’est pas autonome ; son contrôle est néanmoins déporté : les commandes de l’opérateur sont transmises au robot, non plus par l’intermédiaire de quelques pantographes mécaniques, mais par l’intermédiaire d’une « armoire de commande » effectuant des traitements numériques capables de transformer les mouvements de l’opérateur en consignes à appliquer sur les moteurs du bras manipulateur. Nous sommes dans les débuts de la télé-opération, dont les plus beaux succès déboucheront sur la robotique médicale et sur la possibilité offerte aujourd’hui au chirurgien d’améliorer la précision de son geste : plus d’un million de patients ont aujourd’hui été opérés avec un robot.

5La recherche en robotique a donc été dominée, à l’origine, par la conception de machines à commande numérique et par l’établissement des premiers liens entre machines et ordinateurs, entre mécanique et informatique. Ses débuts ont été rapidement accompagnés par les progrès technologiques en matière de calcul (miniaturisation et augmentation de la puissance des processeurs).

6La robotique manufacturière est aujourd’hui bien implantée ; elle a considérablement renouvelé l’organisation des moyens de production. Son succès tient au caractère répétitif des tâches que les robots industriels accomplissent (souder, peindre, trier, transporter, etc.) dans des environnements bien structurés pour lesquels l’aléa se réduit le plus souvent à la panne de moteur, ou est traité par un arrêt d’urgence. Nul besoin de capacités évoluées d’adaptation dans ces environnements.

7La question de l’autonomie d’une machine commandée par un ordinateur ne se pose comme telle qu’à la fin des années soixante.

8C’est avec le robot mobile Shakey du Stanford Research Institut (SRI) que sont jetées les premières bases d’une recherche sur les robots autonomes. L’ambition affichée est de doter une machine de capacités de raisonnement sur ses actions. Le robot doit percevoir son état et l’état du monde qui l’entoure (on l’équipe donc de capteurs), il doit agir (on l’équipe donc d’actionneurs lui permettant de se déplacer). L’ordinateur « n’a plus qu’à » décider automatiquement des actions à effectuer pour remplir une mission donnée et à contrôler leur bon déroulement. Il faut noter que les chercheurs du SRI n’ont aucune application en tête. La robotique est considérée à l’époque comme un possible champ d’application des théories développées en intelligence artificielle. Elle tient plus du rêve que de la volonté de répondre aux problèmes bien posés de la robotique manufacturière.

9En France, le rêve va être relayé à la fin des années soixante-dix par Georges Giralt au Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS-CNRS) à Toulouse. Il y crée le groupe Robotique et intelligence artificielle (RIA) et y conçoit en 1977 le robot mobile Hilare, que l’on peut voir maintenant au musée des Arts et Métiers. Il lance en parallèle le programme « Automatisation et robotique avancée » (ARA) qui sera coordonné par Philippe Coiffet. Le programme réunit industriels de la production et chercheurs autour d’une même question : comment doter les robots de plus de flexibilité et faciliter leur programmation ? Ce faisant, le lien est établi entre un nouveau projet de recherche ambitieux centré sur l’étude de la machine autonome et la robotique manufacturière, qui avait déjà plus de vingt ans.

10C’est dans les années quatre-vingt que sont créées les premières sociétés savantes et fédérations professionnelles dédiées à la robotique : 1984 pour la société Robotics and Automation (IEEE), 1986 pour la fondation International Foundation on Robotics Research (IFRR) et 1987 pour la fédération International Federation of Robotics (IFR). Dans la même période, en 1982, lors du sommet de Versailles, les pays industrialisés se dotent d’un programme international, International Advanced Robotics Programme (IARP), dédié à la coopération scientifique dans le domaine de la robotique.

11Tout s’accélère à partir des années quatre-vingt-dix.

12En 1993, la société Honda dévoile les résultats de sept années de recherche conduites dans le plus grand secret : P1, un robot anthropomorphe, fait ses tout premiers pas. La même année, dans le cadre du projet Rotex conduit par Gerd Hirzinger au DLR en Allemagne, un robot manipulateur embarqué à bord d’une navette spatiale saisit un objet flottant dans l’espace et assemble des pièces mécaniques entre elles. Le 4 juillet 1997, le robot Sojourner de la NASA commence sa déambulation sur la planète Mars ; il sera suivi des robots Spirit et Opportunity en 2004 pour des missions qui se poursuivent encore aujourd’hui. Le 11 mai 1999, la société Sony met sur le marché le premier robot-jouet, un petit chien capable de se déplacer, de percevoir son environnement et de reconnaître des commandes vocales. Le 7 septembre 2001, le professeur Jacques Marescaux conduit la première opération de téléchirurgie sur une patiente hospitalisée à Strasbourg avec l’aide d’une équipe chirurgicale située à New York. En 2002, la société iRobot, créée par Rodney Brooks du MIT à Boston, met sur le marché Roomba, le premier robot-aspirateur : il est aujourd’hui vendu à plusieurs millions d’exemplaires. En 2005, une équipe de l’université de Stanford conduite par Sebastian Thrun remporte le Grand Challenge Darpa : son véhicule est le premier à parcourir en moins de 7 heures plus de 200 kilomètres dans le désert des Mojaves en totale autonomie. La même année, à l’exposition d’Aichi au Japon, la société Toyota présente un orchestre de jazz composé de robots humanoïdes jouant de divers instruments à vent. Le 25 mars 2009, le robot quadrupède Bigdog de la société Boston Dynamics fondée par Marc Raibert du MIT est testé en Afghanistan. Au printemps dernier, dans l’équipe de François Pierrot au Laboratoire d’informatique robotique micro-électronique de Montpellier (LIRMM), le robot parallèle R4 parvient à atteindre 100 G d’accélération. Près de 2000 petits robots humanoïdes Nao ont été produits à ce jour par la société Aldebaran.

13Quel savoir se construit autour d’un tel foisonnement ? Les cours ont tenté de répondre (en partie) à la question.

Deux écoles

14La robotique trouve ses sources dans la mécanique. Elle a participé à l’émergence de champs disciplinaires tels que l’automatique et le traitement du signal. Elle emprunte à l’informatique, elle nourrit l’algorithmique. Il faudra attendre près de vingt ans, après l’apparition d’Unimate, pour voir émerger les premières tentatives de théorisation d’un domaine qui se cherche. Deux grandes écoles de pensée vont ranimer de vieux débats issus des sciences de l’homme pour les appliquer à l’étude des machines autonomes, et structurer la recherche en robotique.

15Les tenants de ce qu’on peut appeler avec recul une « phénoménologie robotique » prônent la primauté du modèle et introduisent la boucle « perception-décision-action » : le robot estime son état et l’état du monde qui l’entoure par l’intermédiaire de capteurs, il en établit des modèles, raisonne à partir de ces modèles et décide des actions à effectuer pour remplir la mission qui lui est assignée. Cette école n’a jamais été vraiment théorisée. Elle se structure autour de thèmes tels que :

  • la conception et la commande des systèmes mécaniques (un aperçu en est donné avec le séminaire du 23 janvier) ;

  • la vision et, plus généralement, la perception artificielles (abordées lors du cours du 30 janvier et du séminaire du 27 février sur le sens du toucher) ;

  • la manipulation d’objets (thème qui a fait l’objet des cours et séminaire du 27 février) ;

  • l’algorithmique de la planification et du contrôle d’actions (six séances y ont été consacrées lors des cours et séminaires des 30 janvier, 20 février et 5 mars) ;

  • l’architecture des systèmes (le thème a été abordé lors du cours du 30 janvier et lors du séminaire du 12 mars).

16C’est cette école qui a conduit les grands programmes de robotique manufacturière, de robotique médicale ou de robotique d’exploration planétaire.

17Elle s’oppose à une école comportementaliste amenée par Rodney Brooks qui prône, dans les années quatre-vingt au MIT, une conception de l’autonomie fondée sur l’absence de modèles du monde : l’intelligence de la machine doit émerger d’une hiérarchie de comportements sensori-moteurs gérée par des mécanismes excitateurs et inhibiteurs. Cette école de pensée donne naissance à une robotique dite « bio-inspirée ». Elle est beaucoup moins en prise avec l’industrie que la précédente. Le robot est surtout considéré comme un support expérimental de théories issues des sciences du vivant. C’est de cette école que naîtront d’étranges créatures artificielles, comme les salamandres amphibies d’Auke Ijspeert à l’EPFL, développées en collaboration avec Jean-Marie Cabelguen, neurophysiologiste à l’INSERM. De l’observation du vivant naissent également des approches formelles très astucieuses, telle l’approche développée par Nicolas Franceschini qui permet à un drone d’atterrir en douceur selon des principes mis en évidence par l’étude du vol des insectes (Séminaire du 13 février 2012).

18Les cours ont surtout rendu compte de la première école. Néanmoins plusieurs séminaires associés ont traité de la seconde.

  • 1  O. Khatib et B. Siciliano (dir.), Springer Handbook of Robotics, Springer Verlag, 2008.

19D’ailleurs cette séparation en deux écoles vacille aujourd’hui. En témoignent, dès 2004, deux projets européens : l’un, Cogniron, conduit par Raja Chatila du LAAS-CNRS, est issu de la première école ; l’autre, Neurobotics, est conduit par Paolo Dario de la Scuola Superiore Sant’Anna à Pise, un chantre de la robotique bio-inspirée. Les deux projets partagent des thématiques communes dans leur volonté de comprendre ou de s’inspirer de l’homme. Aujourd’hui, le septième programme-cadre de la Commission européenne en matière de technologies de l’information et de la communication inclut explicitement un sous-programme « Cognitive Systems and Robotics ». La tendance est une tendance de fond. On le voit avec la société Honda qui crée en 2003 au Japon, aux États-Unis et en Allemagne, des centres de recherches pluridisciplinaires combinant neurosciences et robotique. On le voit en Italie, avec la création en 2005 à Gênes de l’Istituto Italiano di Tecnologia, un institut du même type. On le voit, en France, avec la création en 2007 de l’Institut des systèmes intelligents et de robotique sur le campus de Jussieu. On le voit enfin au travers des 1600 pages de la première encyclopédie de robotique publiée il y a seulement quatre ans1. Les séances du 6 février et du 12 mars ont témoigné du rapprochement des deux écoles et de l’émergence de nouveaux champs tels que la neurorobotique et le calcul morphologique.

20Le fil conducteur des cours a été la notion d’action, sous la perspective des trois espaces, inspirés de la distinction introduite par H. Poincaré : espace physique, espace moteur et espace sensoriel, la géométrie étant le lien fondamental reliant ces trois espaces. De là prennent corps les notions fondamentales de déplacement et de manipulation (qu’est-ce qu’un mouvement ?), de systèmes redondants (comment procéder à la sélection de l’action ?), d’algorithmique de la planification de mouvement et des modèles de complexité associés, ou d’action « encorporée » (néologisme introduit lors du cours 6 février), une notion qui permet d’illustrer des recherches récentes à la frontière des neurosciences et de la robotique.

Programme des cours et séminaires

2119 janvier : Leçon inaugurale : « La robotique : une récidive d’Héphaistos »

La leçon a introduit la robotique sous l’angle de la tension entre sciences et technologies en se référant à un mythe classique.

2223 janvier : 50 ans de recherche en robotique

[Cours] Robotique : champs scientifiques et diffusions technologiques.

[Séminaire] Les robots parallèles rapides, François Pierrot, directeur de recherche, CNRS.

Le cours a précisé les champs scientifiques et technologiques de la robotique tels qu’ils émergent depuis 50 ans et a posé la question de leur unité. Le séminaire de F. Pierrot a décrit une très belle réussite dans le domaine de la robotique manufacturière.

2330 janvier : 40 ans de recherche en robotique autonome

[Cours] Percevoir, décider, agir : l’organisation des calculs.

[Séminaire] L’action délibérée : planification et apprentissage en robotique, Malik Ghallab, directeur de recherche, CNRS.

Le cours a introduit la boucle fondamentale « perception-décision-action » et a posé le problème de la place et de la nature du raisonnement symbolique. Le séminaire de M. Ghallab a explicité l’étroite relation entre robotique et intelligence artificielle.

246 février : Vers une théorie de l’action anthropomorphe

[Cours] Les espaces de l’action : systèmes redondants et algèbre linéaire.

[Séminaire] Simplexité et complexité : des concepts communs au cerveau et aux robots ? Alain Berthoz, professeur honoraire au Collège de France.

Le cours a introduit les bases mathématiques de la commande des systèmes redondants et leurs applications à la robotique humanoïde. Le séminaire d’A. Berthoz a illustré l’actuelle synergie issue des travaux de recherche en robotique et neurosciences.

2513 février : Rouler, voler

[Cours] Robotique mobile et non holonomie : de la complexité de garer sa voiture.

[Séminaire] Des insectes aux robots aériens, Nicolas Franceschini, directeur de recherche Emérite, CNRS.

Le cours a introduit les éléments de géométrie différentielle pour le contrôle des systèmes non holonomes et leurs applications en robotique mobile. Le séminaire de N. Fanceschini a porté sur les approches bio-inspirées du vol à ailes battantes et les techniques d’asservissement visuel.

2620 février : Mouvement, calcul et déterminisme

[Cours] La planification de mouvement : approches déterministes.

[Séminaire] La planification de mouvement : approches probabilistes, Jean-Claude Latombe, professeur, université de Stanford.

Le cours a introduit la question de la décidabilité en planification de mouvement et montre les limites de la notion algorithmique de complétude. Le séminaire de J.-C. Latombe a introduit la notion de complétude probabiliste, développé les algorithmes associés et illustré leur performance.

2727 février : Géométries de la manipulation

[Cours] Planification de tâches de manipulation.

[Séminaire] Les bases physiques du sens du toucher, Vincent Hayward, professeur, université Pierre et Marie Curie.

Le cours a porté sur une formulation géométrique du problème de la planification de tâches de manipulation. Le séminaire de V. Hayward a introduit les théories du sens du toucher.

285 mars : Les dérivées du mouvement

[Cours] Deux problèmes mathématiques ouverts en robotique mobile.

[Séminaire] Des robots avec les hommes, Oussama Khatib, professeur, université de Stanford.

Le cours a porté sur deux défis mathématiques bien formulés en lien avec le la commande des systèmes non holonomes. Partant de la théorie de la commande des systèmes mécaniques articulés, le séminaire d’O. Khatib a étendu le formalisme à la relation homme-robot.

2912 mars : Le corps et sa structure

[Cours] Locomotion humaine et humanoïde : fondements calculatoires.

[Séminaire] Comment le corps façonne la manière de raisonner ? Rolf Pfeifer, professeur, université de Zürich.

Basé sur des principes de commande optimale inverse, le cours a montré comment il est possible d’identifier les lois qui préludent à l’élaboration des trajectoires locomotrices humaines et de les appliquer en robotique humanoïde. Le séminaire de R. Pfeifer a exploré les liens entre forme du corps et intelligence à travers des modèles de calcul morphologique.

30[19 Mars] Robotique et innovation : deux cas d’étude

[Cours] La valeur du mouvement en prototypage virtuel.

[Séminaire] Stratégies de développement en robotique humanoïde, Bruno Maisonnier, président directeur général, Aldebaran Robotics.

Le cours a présenté les travaux de recherche à l’origine de la création de l’entreprise Kineo qui diffuse des logiciels de planification automatique de mouvements, en particulier dans l’industrie automobile. Le séminaire de B. Maisonnier a porté sur les stratégies de recherche et développement en robotique humanoïde en lien avec les perspectives de marchés grand public.

312 avril : Robotique humanoïde : la leçon de choses

Ce cours a revêtu un caractère exceptionnel : il a mobilisé 8 doctorants, techniciens et chercheurs de l’équipe Gepetto du LAAS-CNRS pour des démonstrations du robot humanoïde HRP2 ; l’objectif était d’illustrer différentes notions et fonctions introduites dans les cours précédents, tels que l’espace des configurations d’un système mécanique, la vision stéréoscopique, la locomotion bipède et le concept d’action encorporée.

Colloque : Robotique et santé

322 mai 2012 : Quel degré d’autonomie peut-on attendre des robots dans l’élaboration de leurs actions ? La question a structuré l’ensemble des cours et séminaires de la chaire. Il reste que la question de l’autonomie n’épuise pas, à elle seule, toutes les facettes d’une technologie qui transforme de jour en jour notre rapport à la machine. Il fallait en rendre compte. C’était l’objet du colloque « Robotique et santé », ouvert par un remarquable exposé du professeur Jean Dubousset, membre de l’Académie nationale de médecine, définissant les bases d’un nouvel humanisme médical permettant à l’ingénieur de contribuer à la relation de confiance réciproque entre clinicien et patient.

33De la robotique chirurgicale mini-invasive à la chirurgie endoluminale, et au-delà de la chirurgie, des robots implantables à l’assistance à domicile, des neuroprothèses aux comanipulateurs, le colloque a présenté la diversité des apports de la robotique en matière de santé, et a permis de souligner l’excellence de la recherche française dans le domaine.

Colloque de clôture : Robotics, science and technology

34En regard de la leçon inaugurale, le colloque s’est tenu les 12 et 13 juin. Il a tendu à démontrer comment l’innovation en robotique repose une forme originale de recherche fondamentale sur « la machine autonome » tout en étant guidée par le pragmatisme des développements technologiques. Il a été organisé autour de neuf interventions d’une heure par des grandes figures internationales de la robotique, ayant une expérience en matière d’innovation (création d’entreprises, conduite de grands programmes) ou à l’origine de nouvelles théories :

  • Sir Mike Brady (Université d’Oxford, Royaume Uni) ;

  • Rod Brooks (Massachusetts Institute of Technology, États Unis) ;

  • Paolo Dario (Scuola Superiore Sant’Anna, Pise, Italie) ;

  • Gerd Hirzinger (Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt, Allemagne) ;

  • Hirochika Inoue (Japan Society for the Promotion of Science, Japon) ;

  • Mitsu Kawato (Advanced Telecommunications Research Institute, Japon) ;

  • Matt Mason (Carnegie Melon University, États Unis) ;

  • Yoshi Nakamura (Université de Tokyo, Japon) ;

  • Russ Taylor (Université John Hopkins, États Unis).

Médias

35La chaire a donné à la robotique une très grande visibilité médiatique qui a permis de rectifier un certain nombre d’idées reçues sur le domaine, et de montrer comment cette jeune discipline est porteuse de savoir, au-delà des spectaculaires applications qu’attend le public :

Presse écrite : Le Monde, Libération, Les Échos, Le Figaro, Le Point,…

Presse numérique : Interstices,…

Radio : France Inter, France Info, France Culture

TV : La 5 (Bibliothèque Médicis)

Publications

Kanoun O., Laumond J.P., Yoshida E., « Planning foot placements for a humanoid robot: a problem of inverse kinematics », International Journal of Robotics Research, 30(4), 2011.

Dalibard S., Laumond J.P., « Linear dimensionality reduction in random motion planning », International Journal of Robotics Research, 30(12), 2011.

Murrieta-Cid R., Ruiz U., Marroquin J.L., Laumond J.P., Hutchinson S., « Tracking an Omnidirectional Evader with a Differential Drive Robot », Autonomous Robots, 31(4), 2011.

Hak S., Mansard N., Stasse O., Laumond J.P., « Reverse Control for Humanoid Robot Task Recognition », IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics, 42(6), 2012.

Sreenivasa M., Souères P., Laumond J.P., « Walking to Grasp: Modeling of Human Movements as Invariants and an Application to Humanoid Robotics », IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part A: Systems and Humans, 42(4), 2012.

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Notes

1  O. Khatib et B. Siciliano (dir.), Springer Handbook of Robotics, Springer Verlag, 2008.

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Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 112e année, Collège de France, Paris, avril 2013, p. 755-762. ISBN 978-2-7226-0198-7

Référence électronique

Jean-Paul Laumond, « Innovation technologique - Liliane Bettencourt », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 112 | 2013, mis en ligne le 22 novembre 2013, consulté le 25 avril 2018. URL : http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/972

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Auteur

Jean-Paul Laumond

Directeur de recherche au CNRS, professeur invité sur chaire annuelle au Collège de France pour l'année 2010-2011

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Droits d’auteur

Collège de France

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