Des robots biohybrides contrôlés par des impulsions électriques dans des champignons

Construire un robot demande du temps, des compétences techniques, les bons matériaux et parfois, un peu de champignon.

En créant deux nouveaux robots, les chercheurs de Cornell ont cultivé un composant improbable, que l’on ne trouve pas en laboratoire mais sur le sol de la forêt : le mycélium fongique. En exploitant les signaux électriques innés du mycélium, les chercheurs ont découvert une nouvelle façon de contrôler des robots « biohybrides » qui peuvent potentiellement réagir à leur environnement mieux que leurs homologues purement synthétiques.

L’article de l’équipe, « Contrôle sensorimoteur des robots assuré par des mesures électrophysiologiques des mycéliums fongiques », est publié dans Robotique scientifiqueL’auteur principal est Anand Mishra, chercheur associé au laboratoire de robotique organique dirigé par Rob Shepherd, professeur de génie mécanique et aérospatial à Cornell Engineering, et auteur principal de l’article.

« Ce travail est le premier d’une longue série qui utilisera le règne fongique pour fournir des signaux de détection et de commande environnementaux aux robots afin d’améliorer leur niveau d’autonomie », a déclaré Shepherd. « En faisant pousser du mycélium dans l’électronique d’un robot, nous avons pu permettre à la machine biohybride de détecter et de réagir à l’environnement. Dans ce cas, nous avons utilisé la lumière comme entrée, mais à l’avenir, ce sera chimique. Le potentiel des futurs robots pourrait être de détecter la chimie du sol dans les cultures en rangs et de décider quand ajouter plus d’engrais, par exemple, pour atténuer peut-être les effets en aval de l’agriculture comme la prolifération d’algues nuisibles. »

Pour concevoir les robots de demain, les ingénieurs se sont inspirés du règne animal, avec des machines qui imitent la façon dont les êtres vivants se déplacent, ressentent leur environnement et régulent même leur température interne grâce à la transpiration. Certains robots ont incorporé des matériaux vivants, comme des cellules musculaires, mais ces systèmes biologiques complexes sont difficiles à maintenir en bonne santé et fonctionnels. Il n’est pas toujours facile, après tout, de maintenir un robot en vie.

Les mycéliums sont la partie végétative souterraine des champignons et présentent de nombreux avantages. Ils peuvent pousser dans des conditions difficiles. Ils ont également la capacité de détecter des signaux chimiques et biologiques et de répondre à de multiples entrées.

« Si vous pensez à un système synthétique, disons n’importe quel capteur passif, nous l’utilisons uniquement dans un seul but. Mais les systèmes vivants réagissent au toucher, à la lumière, à la chaleur, et même à certaines inconnues, comme les signaux », a déclaré Mishra. « C’est pourquoi nous nous sommes demandé : « OK, si vous voulez construire des robots du futur, comment peuvent-ils fonctionner dans un environnement inattendu ? » Nous pouvons exploiter ces systèmes vivants, et à chaque entrée inconnue, le robot y répondra. »

Cependant, trouver un moyen d’intégrer les champignons et les robots nécessite plus que de simples connaissances technologiques et une main verte.

« Il faut avoir une formation en ingénierie mécanique, en électronique, en mycologie, en neurobiologie, en traitement du signal », explique Mishra. « Tous ces domaines sont réunis pour construire ce type de système. »

Mishra a collaboré avec un ensemble de chercheurs interdisciplinaires. Il a consulté Bruce Johnson, chercheur associé principal en neurobiologie et comportement, et a appris à enregistrer les signaux électriques transportés dans les canaux ioniques de type neuronal dans la membrane du mycélium. Kathie Hodge, professeure agrégée de phytopathologie et de biologie végétale et microbienne à l’École de phytologie intégrative du Collège d’agriculture et des sciences de la vie, a appris à Mishra comment cultiver des cultures de mycélium propres, car la contamination s’avère être un véritable défi lorsque vous collez des électrodes dans des champignons.

Le système développé par Mishra se compose d’une interface électrique qui bloque les vibrations et les interférences électromagnétiques et enregistre et traite avec précision l’activité électrophysiologique du mycélium en temps réel, ainsi que d’un contrôleur inspiré des générateurs de motifs centraux, une sorte de circuit neuronal. Essentiellement, le système lit le signal électrique brut, le traite et identifie les pics rythmiques du mycélium, puis convertit cette information en un signal de commande numérique, qui est envoyé aux actionneurs du robot.

Deux robots biohybrides ont été construits : un robot souple en forme d’araignée et un robot à roues.

Les robots ont réalisé trois expériences. Dans la première, les robots marchaient et roulaient respectivement, en réponse aux pics naturels continus du signal du mycélium. Les chercheurs ont ensuite stimulé les robots avec de la lumière ultraviolette, ce qui les a amenés à modifier leur démarche, démontrant ainsi la capacité du mycélium à réagir à son environnement. Dans le troisième scénario, les chercheurs ont pu ignorer complètement le signal natif du mycélium.

Les implications vont bien au-delà des domaines de la robotique et des champignons.

« Ce type de projet ne consiste pas seulement à contrôler un robot », a déclaré Mishra. « Il s’agit également de créer une véritable connexion avec le système vivant. En effet, une fois que vous entendez le signal, vous comprenez également ce qui se passe. Ce signal peut provenir d’une sorte de stress. Vous voyez donc la réponse physique, car ces signaux ne sont pas visualisables, mais le robot les visualise. »

Les co-auteurs incluent Johnson, Hodge, Jaeseok Kim de l’Université de Florence, en Italie, et l’assistante de recherche de premier cycle Hannah Baghdadi.