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Corps et machines à l'âge industriel

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Laurence Guignard
, 
Pascal Raggi
, 
Étienne Thévenin

Témoins

L’homme est-il toujours le meilleur robot ?

Pierre Rabischong

Texte intégral

1Le terme de « robot » qui signifie « travail » a été introduit par Karel Tchapek en 1921 dans une pièce intitulée, Les robots universels de Rossum, puis repris par Isaac Asimov dans un de ses romans, I Robot. Depuis la robotique s’est considérablement développée grâce à son utilisation dans l’industrie pour exécuter des tâches répétitives pénibles pour l’homme telles que la soudure par point ou la peinture et aussi grâce à l’identification d’une branche nouvelle de la mécanique avec de multiples applications intégrées en particulier dans une recherche spécifique. Les robots, comme outil de prise et de manipulation, sont devenus progressivement plus « intelligents » grâce à des capteurs et des logiciels de commande de plus en plus perfectionnés.

2À partir de 1970 ont été créés des symposiums de robotique industrielle (International Symposiums on Industrial Robots) qui ont eu lieu tous les ans alternativement au Japon, en Amérique et en Europe et j’ai eu la chance de pouvoir être un des deux représentants français à ces symposiums. Par ailleurs notre Unité 103 de l’INSERM a travaillé dès 1972 avec la division des automatismes de la Régie Renault dirigée par Pierre Pardo dont la mission a été de rattraper le retard apparent de la France en matière de robotique industrielle. En 1975, nous avons créé, principalement au niveau de ce groupe, l’Association Française de Robotique Industrielle (AFRI) qui a pu regrouper toutes les équipes françaises de recherche en robotique et tous les industriels créateurs et utilisateurs de robot. Mais la montée en puissance de la robotique s’est assez rapidement stabilisée et finalement les grands utilisateurs de robotique industrielle tels que l’automobile et l’aéronautique ont créé leur propre installation de robotique et seules quelques entreprises productrices de robot ont survécu, de telle sorte que l’AFRI a cessé son activité.

3D’une façon générale, les robots sont des manipulateurs à un ou plusieurs degrés de liberté capables de préhension et de manipulation d’objets. Ils travaillent avec une régulation soit en boucle ouverte sous contrôle d’un opérateur humain comme dans la télémanipulation pour des applications dans le nucléaire ou l’exploration sous marine, soit en boucle fermée avec des capteurs placés dans l’organe terminal renvoyant des informations sur la commande. De nombreuses classifications ont été proposées sur le plan international et il apparaît que certains donnent le nom de robot seulement à des manipulateurs « intelligents » équipés de vision et de sens tactile qui les rend auto-adaptatifs à l’environnement. Outre les robots industriels, actuellement se développent beaucoup les manipulateurs à usage chirurgical sous le contrôle et la responsabilité d’un chirurgien, celui-ci bénéficie d’un outil d’une grande précision en déplacement et positionnement X, Y, Z en utilisant les ressources de la neuronavigation à partir d’images 3D pour permettre des actes chirurgicaux d’une grande précision en neurochirurgie, orthopédie et chirurgie cardiaque et digestive. Bien entendu le chirurgien reste entièrement le seul responsable en cas d’erreur due au manipulateur. Un autre secteur qui se développe actuellement est celui des robots anthropomorphes ou humanoïdes, en particulier au Japon où sont déjà utilisés dans des foires ou des congrès des robots bipèdes impressionnants par leur capacité de marche stable et de manipulation et que les Japonais souhaitent utiliser de plus en plus pour des services domestiques, en se passant ainsi de personnels salariés. Toutefois il faut souligner que ces outils sont très coûteux à la fois en production et en maintenance.

4En 1992, nous avons, lors d’un congrès de robotique à Singapour, créé le terme de Robionique pour définir l’association de la robotique, de la biologie et de l’électronique en complétant le concept de Bionique qu’avaient créé les Américains dans les années 1960. Le terme nouveau n’a pas eu un grand succès et on parle maintenant de mécatronique pour désigner sensiblement la même association. L’objectif était d’introduire deux types de transfert de connaissance : d’une part du vivant à l’artificiel et d’autre part de l’artificiel au vivant. Le premier type concerne l’utilisation et la copie de systèmes vivants pour les utiliser dans la technologie, tels que des capteurs ou des systèmes de locomotion à pattes. Ce biomimétisme continue de se développer et permet à des ingénieurs de s’inspirer du vivant pour créer des dispositifs de haute technologie, comme l’est toute la technologie du vivant. Par exemple l’œil de la mouche qui est composé de 3 200 ommatidies, nano unités visuelles avec un système optique et un système nerveux, a été copié par une équipe de Marseille pour créer un capteur visuel multidirectionnel pour la robotique mobile. Le deuxième type de transfert de l’artificiel au vivant permet de comprendre comment doit fonctionner le manipulateur humain. En effet, celui-ci se trouve sur le plan du contrôle confronté aux mêmes problèmes techniques que les robots industriels. La coordination de l’organe terminal du robot dans un espace tridimensionnel impose de connaître deux paramètres pour pouvoir écrire les équations pour les algorithmes de commande : d’une part l’état des moteurs (électriques ou hydrauliques) identifiés par la quantité de courant ou la pression hydraulique et d’autre part la mesure des angles de chaque segment articulé, qui se fait par des potentiomètres angulaires ou linéaires.

5Il est évident que le problème technique est le même pour le contrôle des membres humains, mais dans un contexte structurel différent. En effet, les muscles sont des actionneurs viscoélastiques, non réversibles et non linéaires, ce qui implique la mise en place de deux actionneurs pour un degré de liberté appelés muscles agoniste et antagoniste. L’avantage de la viscoélasticité est que les contractions musculaires se font sans bruit audible, ce qui est intéressant quand on sait que le corps humain comporte six cents muscles. L’état des moteurs, le premier paramètre indispensable, est identifié par deux capteurs. Le premier, le fuseau neuromusculaire est un capteur à gain variable (réglé par les motoneurones gamma), sensible à l’étirement du muscle, qui génère un signal transmis par une voie monosynaptique rapide aux motoneurones alpha placés dans la corne motrice antérieure de la moelle épinière pour les activer d’une manière dite réflexe. C’est le réflexe myotatique qui se manifeste lorsque le médecin explore ces réflexes en tapant sur les tendons avec un marteau, mais qui surtout est la base de l’ajustement périphérique de la force à développer pour une tâche déterminée (capteur de recrutement). Le second est un capteur de force, l’organe de Golgi, nécessaire pour connaître l’amplitude de la force exercée au niveau du tendon d’un muscle. Il est à l’origine d’un réflexe myotatique inverse qui a un rôle inhibiteur de la contraction pour protéger le muscle contre le surdosage de force. Ces deux capteurs ne donnent pas, comme on le pensait, une information de longueur du muscle par le diagramme tension/longueur mais une valeur de la raideur mécanique du muscle permettant au cerveau d’identifier les trois états possibles d’un muscle : relaxé, contracté ou étiré. Le second paramètre est la mesure des angles articulaires, ou goniométrie, indispensable pour la coordination des segments. Elle ne peut se faire par les muscles qui sont viscoélastiques et redondants et pour lesquels il n’existe pas dans le cerveau une bibliothèque des insertions musculaires en rapport avec leur position par rapport aux axes articulaires ce qui autoriserait un calcul géométrique d’angle. De plus nous avons l’habitude de représenter les muscles par des vecteurs linéaires qui correspondent à une symbolique que le cerveau ne comprend pas. La goniométrie articulaire ne peut pas non plus venir des ligaments pourtant riches en mécanorécepteurs mais qui sont manifestement des indicateurs de fin de course comme en témoigne l’apparition d’une entorse douloureuse en cas de dépassement des limites normales de l’excursion de l’articulation. La solution géniale est d’utiliser la peau comme goniomètre. En effet celle-ci est un vêtement continu fixé au squelette et bourré de capteurs dont ceux de Ruffini sensibles à l’étirement. En d’autres termes, tout mouvement de n’importe lequel des segments corporels entraîne une déformation mécanique de la peau qui se traduit par une mesure d’angle affinée par la vision. De ce fait nous vivons dans un espace tridimensionnel où nous pouvons nous orienter grâce à la peau et à la vision. Ceci explique pourquoi le cortex moteur (aire 4) du gyrus précentral frontal où sont représentés de façon disproportionnelle (homunculus moteur de Penfield) tous les muscles du corps est placé juste en avant du gyrus postcentral pariétal (aires 1, 2, 3, 5) où sont localisées toutes les zones cutanées du corps. De cette façon, par cette boucle de régulation stato-kinétique, nous savons constamment où nous sommes et où nous allons avec tous nos segments corporels. De plus un segment, ayant perdu sa sensibilité, ne peut plus être contrôlé, comme on peut l’observer dans l’asomatognosie des tumeurs du lobe pariétal ou celle des patients paraplégiques complets. On peut comprendre par cette analyse qu’il existe une logique de construction du vivant qui nécessairement suit les principes de mécanique et d’automatique dont s’inspirent les humains quand ils créent des machines et ce, d’autant plus que l’homme n’a pas construit l’homme et que nous avons la solution mais pas le problème.

6Pour vérifier la question posée dans le titre de ce papier, nous avons effectué toute une série de tests dans notre Unité Inserm, dont des tests de pointé sur table dynamométrique. Nous avons démontré que la précision du pointage entre deux points est assez bonne pour un écart interpoint de 3 centimètres à des fréquences de 1, 2, 3 et 4 Hertz (un par seconde), mais que la performance se dégrade progressivement pour des écarts de 25 et 70 cm. De plus, ces épreuves ont été réalisées avec et sans contrôle visuel et il est intéressant d’observer que pour un écart de 3 centimètres l’espace interpoint est assez bien respecté, ce qui correspond bien à la précision de la goniométrie cutanée, mais avec une dérive spatiale progressive qui signe l’absence de contrôle visuel. Par contre pour les écarts de 25 et 70 centimètres, la performance est fortement dégradée, ce qui s’explique par un cumul d’erreurs de la goniométrie cutanée et de la poursuite visuelle activée par l’augmentation de l’écart interpoint. En complément, des mesures de régulation de force de prise et d’inertie segmentaire ont permis de caractériser le « robot humain ».

7Il ressort de cette recherche que l’homme est un « robot mou » (soft robot) dont les inerties mécaniques segmentaires sont peu élevées contrairement aux robots industriels qui sont très lourds pour obtenir une précision millimétrique en bout de pince.

8L’homme est donc, dans un profil pondéral acceptable quoique très variable, habile dans les tâches de préhension et de manipulation, en premier lieu, grâce à son remarquable équipement informatique. En témoignent par exemple la peau de la pulpe de l’index ayant de l’ordre de 350 mécanorécepteurs par mm2 ou la macula de la rétine qui donne 80 % de la vision avec une concentration incroyable de 135 000 cônes par mm2, créant ainsi un point de haute résolution permettant de caler parfaitement les deux images rétiniennes pour la stéréoscopie. En plus de la quantité énorme de capteurs, l’homme dispose d’un système de traitement de signal très performant travaillant en architecture parallèle et non séquentielle avec un niveau de contrôle conscient représentant environ 20 % du potentiel nerveux et un niveau inconscient d’exécution de tâches et de stockage de données filtrées, dont le pilote de cette machine très complexe est la plupart du temps ignorant. Il est surprenant en effet de savoir que l’homme a besoin de très peu de connaissances biologiques pour fonctionner et que celui qui sait ne fonctionne pas mieux que celui qui ne sait pas. Ceci suppose donc un mode de construction du système nerveux central extrêmement intelligent où le maître concept est l’automatisation et le contrôle hétérarchique. Rechercher le nom d’un ami est un processus neuronal non perceptible par une introspection la plus poussée possible, qui fait appel à de nombreux circuits automatisés. Fort heureusement cette automatisation s’applique aussi à des fonctions vitales comme la circulation sanguine ou la respiration qui fonctionnent vingt-quatre heures sur vingt-quatre ou à la digestion des aliments ingérés consciemment avec plus ou moins de plaisir et rejetés de façon déplaisante, vraisemblablement pour éviter la tentation d’inverser le cycle normal.

9En second lieu, l’homme justifie sa supériorité par rapport aux robots grâce à la richesse de sa motorisation. Le membre supérieur humain est un manipulateur high-tech qui dispose de 9 degrés de liberté avec un organe terminal, la main, qui a 20 dl pour les doigts et 10 pour le carpe et une quantité importante de moteurs musculaires : 8 pour le pouce qui vit dans l’opposition et 6 pour chacun des doigts. On est loin des 6 à 7 dl des robots industriels. De plus, l’homme a une grande capacité adaptative aux changements de l’environnement et une remarquable flexibilité. Il est moins bon dans les tâches répétitives pénibles, bien que la femme qui tricote tout en discutant avec ses congénères soit un bel exemple de tâches répétitives efficaces. Il faut ajouter en revanche que les robots quelle que soit la pénibilité de la tâche ne se mettent jamais en grève et qu’ils ne prennent pas de vacances.

10Réparer les déficiences qui touchent les quatre grandes fonctions humaines : la mobilité, la communication, la maintenance biologique et le kit de survie sont un vaste chapitre de la médecine qui montre constamment des avancées spectaculaires grâce au progrès des technologies biomédicales. Sans entrer dans le détail, ce qui sortirait du cadre de cet article, il y a lieu d’insister sur la capacité étonnante des organes et tissus vivants à s’auto réparer. La cicatrisation naturelle est un processus bien réglé que nous connaissons de mieux en mieux et sans lequel nombre d’interventions chirurgicales ou médicales connaîtraient un sort funeste.

11Il est plus facile de vivre la vie que de penser la vie et le but de cet article était, dans un raccourci imposé, de montrer que l’homme est une machine remarquable, non encore dépassée par celles construites par les hommes, et avec des capacités mentales étonnantes rendues possibles par la richesse insoupçonnée de son organisation cérébrale.

Auteur

Professeur émérite et Doyen honoraire de la Faculté de Médecine de Montpellier, Pierre Rabischong est aussi le fondateur du Centre Propara pour le traitement des blessés médullaires et il a beaucoup travaillé au service des personnes handicapées. C’est parce qu’il a participé, en 1992, à l’élaboration d’un concept nouveau, la « robionique », que les organisateurs du colloque lui ont demandé son témoignage. Le terme de « robionique » désigne, dans l’esprit de ses concepteurs, l’association de la robotique, de la biologie et de l’électronique. La robionique a trouvé des applications dans le domaine médical.

© Presses universitaires de Rennes, 2011

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