Bio-inspiration. Quand les crickets inspirent une chercheuse du CEA pour concevoir des mémoires sur silicium

Ses travaux viennent de recevoir une bourse de 3 millions d'euros de la part du Conseil européen de la recherche (ERC). A Grenoble, la chercheuse du CEA-Leti Elisa Vianello va désormais pouvoir se concentrer, durant cinq ans, sur son projet de recherche découlant de la bio-inspiration. Son idée : concevoir des mémoires à l'échelle nanométrique, inspirées du système nerveux des insectes, et notamment des crickets, qui pourraient ouvrir la voie à plusieurs champs d’application dans les domaines de la robotique, du diagnostic médical et de l'électronique portable.

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(Crédits : DR)

Saviez-vous que l'on a encore beaucoup à apprendre au sujet des insectes, jusque dans le domaine de l'électronique ? C'est le pari d'Elisa Vianello, chercheuse au CEA et coordinatrice du programme Edge AI du CEA-Leti en intelligence artificielle, qui travaille depuis plusieurs années sur le champ du memory computing.

Elle vient de recevoir une subvention de 3 millions d'euros du Conseil européen de la recherche (ERC), dans le but de développer justement de nouveaux dispositifs de mémoire sur silicium à l'échelle nanométrique, inspirés du système nerveux des insectes.

Avec, parmi les objectifs qu'elle s'est fixée sur ce projet de recherche d'une durée de cinq ans (et qui inclura quatre thésards et un post-doctorant), la mise au point de la toute première puce intelligente, associée à un module neuronal local et capable de traiter les données sensorielles en temps réel.

Car pour les chercheurs, tout l'enjeu se résumait ici : après avoir développé de puissants algorithmes visant à permettre aux machines d'apprendre par l'expérience et avec leur environnement, encore fallait-il développer des mémoires, qui se résument aujourd'hui en de très petits dispositifs électroniques (nanosystèmes), qui doivent être faire preuve de puissance dans le traitement de leurs données, tout en étant de moins en moins énergivores.

C'est là où l'étude des crickets, et notamment de certaines de leurs caractéristiques, avait tout son sens, selon Elisa Vianello : car elle a découvert que les différentes fonctions du système nerveux de l'insecte ressemblaient étroitement aux fonctions assurées par les mémoires nécessaires à des projets d'intelligence embarquée.

S'inspirer de la biologie pour réduire la consommation de ces systèmes

« L'étude des crickets n'est pas nouvelle, et je m'étais rapprochée pour cela du professeur de l'Université de Tours Jérôme Casas (également membre de la chaire en technologie bio-inspirée CEA/LETI/CARNOT - Grenoble, ndlr), qui avait déjà développé des capteurs microsystèmes électromécaniques (MEMS) bio-inspirés. Ayant moi-même travaillé dans le domaine de l'intelligence artificielle, avec l'enjeu de fabriquer des puces réduisant leur propre consommation énergétique, je souhaitais m'inspirer de la biologie pour voir comment il était possible de réduire la consommation de ces systèmes lorsqu'on doit faire tourner des algorithmes d'IA », explique la chercheuse.

Car les insectes, et notamment les crickets, offriraient pour le monde scientifique des voies nouvelles à explorer : « nous savions déjà que les insectes disposent d'un nombre limité de neurones et de synapses, ce qui les rend plus facile à étudier que le cerveau humain par exemple, en ouvrant la possibilité de les cartographier un par un ».

Mais c'est surtout le fait que ces animaux disposent en réalité non pas d'un, mais de plusieurs cerveaux qui intéressait particulièrement Elisa Vianello :

« Les crickets ont un cerveau secondaire dans leur abdomen, qui leur permet de traiter informations reçues par des capteurs situés, sur leur queue et leurs poils. Ceux-ci captent les flux d'air et décident notamment en local s'ils doivent s'échapper ou non, sans envoyer l'information au cerveau central. Il s'agit d'un système très intelligent et efficient en matière d'énergie », souligne Elisa Vianello.

Car en traitant certaines informations au niveau local, une telle organisation inspirée des insectes pourrait aussi permettre de réduire la quantité des flux envoyées au serveur central, en transmettant seulement quelques paquets plus ciblés et réduits. Car jusqu'ici, ces fonctions d'apprentissage basées sur de l'intelligence artificielle ne se font pas directement sur les puces, puisqu'il s'agit d'une phase très gourmande en énergie, et doivent être nécessairement renvoyées vers le cloud.

La bio-inspiration auprès des crickets ouvre aussi une voie afin de traiter les « bruits » générés, lors d'une transmission de données. « L'un des objectifs de nos travaux sera justement de faire la comparaison entre la variabilité des bruits biologiques, et celle que l'on peut rencontrer dans des dispositifs issus des nanotechnologies ».

Des travaux qui, s'ils demeurent encore à l'état de recherches très amont, devraient cependant ouvrir la voie à différents types d'applications dans la robotique grand public, les puces implantables pour le diagnostic médical et l'électronique portable.

Des applications dans le diagnostic médical et la navigation autonome

Parmi les premières applications possibles, Elisa Vianello évoque par exemple le domaine de la navigation autonome, et notamment des drones et navettes « qui doivent interagir avec leur environnement et gérer des flux informations en continu, provenant de plusieurs capteurs, tout en prenant des décisions et en réduisant leur consommation énergétique afin de pouvoir traiter ces informations en local, sans passer par un cloud ».

Une autre application, à plus long terme, serait celle des dispositifs médicaux, et notamment des appareils ayant besoin d'enregistrer les signaux du cœur afin de détecter des anomalies potentielles. « C'est un domaine où il existe également beaucoup d'informations bruitées, qui dépendent beaucoup du patient et où il un fort enjeu de traiter l'information en local, pour des questions de privacy ».

Son projet de recherche devrait également lui permettre de franchir un verrou technologique en changeant d'approche : « Du côté des mémoires, nous allons travailler à développer une nouvelle technologie en prenant le meilleur des différents types de mémoires existantes, afin de les combiner pour obtenir certaines propriétés. L'idée étant de ne pas développer les choses de manière séparée mais au contraire de conserver un couplage fort entre la mémoire et les capacités de calcul, qui doivent être développées ensemble et en parallèle », explique Elisa Vianello.

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