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Un robot reproduit la démarche d'un animal fossilisé

© 2019 Maxime Marendaz - Le robot OroBOT se déplace comme l'aurait fait l'Orobates pabsti.

© 2019 Maxime Marendaz - Le robot OroBOT se déplace comme l'aurait fait l'Orobates pabsti.

A partir d’un fossile et de traces de pas, des chercheurs de l’EPFL et de la Humboldt-Universität zu Berlin ont identifié les démarches probables d’un animal vieux de 300 millions d’années, et développé un robot capable de les reproduire. Novatrice, cette étude sur la locomotion des animaux et l’utilisation de la robotique permet de mieux comprendre l’évolution des vertébrés.


Quelle était la démarche des vertébrés vivant il y a 300 millions d’années ? Marchaient-ils déjà érigés sur leurs pattes ? Leur allure était-elle stable et économe en énergie ? Grâce au squelette fossilisé de l’Orobates pabsti, un vertébré situé entre les amphibiens et les reptiles ou les mammifères, et des traces de pas de la même espèce, une équipe interdisciplinaire de scientifiques du Laboratoire de biorobotique de l’EPFL et du Laboratoire Image Knowledge Gestaltung. An Interdisciplinary Laboratory de la Humboldt-Universität zu Berlin (HU) ont créé un modèle robotique de cet animal et défini les façons les plus probables qu’il avait de se déplacer.

« L’Orobates est un candidat parfait pour comprendre l’évolution des vertébrés terrestres, car il est l’ancêtre des amniotes modernes, c’est-à-dire des animaux qui se développent dans des œufs pondus sur terre, et donc indépendants du milieu aquatique », indique John Nyakatura, Professeur à la HU. Cette combinaison entre un fossile et des traces de pas fossilisés est d’ailleurs la plus ancienne connue. « Elle a permis de mener cette étude quantitative unique, ouvrant de nouvelles portes pour recréer les démarches d’autres animaux fossilisés », complète Auke Ijspeert, Professeur à la Faculté des Sciences et Techniques de l’Ingénieur de l’EPFL. Les résultats sont publiés dans Nature.

Des simulations basées sur la démarche et robotique

Pour mieux comprendre la démarche de l’Orobates et déterminer à quel stade de l’évolution elle se situe, les chercheurs de la HU ont tout d’abord créé un modèle digital du squelette de l’animal. Ils se sont basés sur l’analyse du fossile et de la biomécanique d'animaux modernes se déplaçant de la même façon. Cela leur a permis de réaliser une première simulation de la démarche, dite « cinématique », c’est-à-dire se concentrant sur les aspects géométriques de la locomotion (plutôt que les forces), pour définir les démarches sans collision entre les os ni démembrement lorsque l’Orobates suit les traces de pas fossilisées.

Parallèlement, Kamilo Melo et Tomislav Horvat, post-doctorant et doctorant au Laboratoire de Biorobotique de l’EPFL, ont utilisé l’anatomie de l’animal fossilisé pour mettre au point un robot. Nommé OroBOT, il présente la même dynamique, longueur et distribution de masse que l’Orobates, et a permis de découvrir les aspects physiques de la démarche de cet animal. « Notre modèle robotique nous a permis de tester nos différentes hypothèses quant aux possibles locomotions, et cela en conditions réelles », indique Kamilo Melo. 

Des centaines de démarches testées, basées sur des animaux modernes

L’équipe interdisciplinaire de scientifiques a utilisé ce robot pour tester des centaines de démarches, afin de déterminer lesquelles seraient les plus probables. Pour les définir, ils se sont basés sur les principes biomécaniques de démarches d’animaux modernes proches, le caïman, la salamandre, l’iguane et le scinque, qu’ils ont analysées et mesurées aux rayons X. « Cela nous a permis d’étudier la biomécanique de leur type de locomotion, ainsi que les principes mécaniques partagés entre tous », indique John Nyakatura. Le Laboratoire de biorobotique s’est basé sur trois aspects : à quel point l’animal est érigé sur ses pattes ou proche du sol, l’amplitude du mouvement de la colonne vertébrale et l’utilisation de la jointure du coude et/ou de l’épaule lors du déplacement. Un site web permet d’explorer les différentes démarches de l’Orobates.

Les chercheurs ont ensuite déterminé les allures les plus probables en se basant sur l’énergie demandée, la stabilité de la démarche, les forces de réaction et le rapprochement avec les traces de pas existantes. L’Orobates se serait ainsi déplacé un peu comme le caïman, de façon athlétique, et pouvait déjà s’ériger relativement haut sur ses pattes, contrairement à la salamandre ou au scinque. Une démarche donc plus avancée que celle attendue. 

Cette nouvelle méthodologie pourra être utilisée et modifiée pour de futures études sur les transitions dans l’évolution, par exemple l’origine du vol ou les démarches de mammifères qui galopent.

Contacts:

Pour toutes questions liées à la robotique, en anglais et espagnol

Kamilo Melo (Laboratoire de biorobotique, EPFL, Lausanne, Suisse)

E-mail : [email protected]

Pour toutes questions liées à la robotique, en français

Auke J. Ijspeert (Directeur du Laboratoire de biorobotique, EPFL, Lausanne, Suisse)

E-mail : [email protected]

Pour toutes questions liées à la biologie et à la paléontologie, en anglais et allemand

John Nyakatura (Biologiste, Humboldt Universität zu Berlin, Berlin, Allemagne)

E-mail : [email protected]

Financement

*The Volkswagen Foundation (AZ 90222)

*The Daimler and Benz Foundation (32-08/12)

*The German Research Council (DFG EXC 1027)

*The Swiss National Science Foundation through the NCCR Robotics

*The UK Natural Environment Research Council (NE/K004751/1)

Références

John A. Nyakatura, Kamilo Melo, Tomislav Horvat, Kostas Karakasiliotis, Vivian R. Allen, Amir Andikfar, Emanuel Andrada, Patrick Arnold, Jonas Lauströer, John R. Hutchinson, Martin S. Fischer and Auke J. Ijspeert. Reverse-engineering the locomotion of a stem amniote.Nature, Jan 17, 2019.

http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0851-2

Cette étude a pu être réalisée grâce à une collaboration entre :

*AG Morphologie und Formengeschichte, Institut für Biologie, Humboldt Universität zu Berlin, Berlin, Germany.

*Bild Wissen Gestaltung. Ein interdisziplinäres Labor, Humboldt Universität zu Berlin, Berlin, Germany.

*Biorobotics Laboratory, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), Lausanne, Switzerland.

*Structure & Motion Laboratory, Department of Comparative Biomedical Sciences, The Royal Veterinary College, North Mymms, UK.

*Fakultät Design, Medien und Information, Department Design, Hochschule für Angewandte Wissenschaften, Hamburg, Germany.

*Institut für Zoologie und Evolutionsforschung mit Phyletischem Museum, Ernst-Haeckel-Haus und Biologiedidaktik, Friedrich-Schiller-Universität Jena, Jena, Germany

*Knowledge Visualisation, Zürcher Hochschule der Künste, Zurich, Switzerland.


Auteur: Clara Marc
Source: Mediacom