Les fourmis et les machines : interfacer systèmes vivants et systèmes artificiels

par Raphaël Ponthieu

Thèse de doctorat en Physique. Biologie et ingénierie

Sous la direction de Pascal Hersen et de José Halloy.

Soutenue le 29-11-2018

à Sorbonne Paris Cité , dans le cadre de École doctorale Frontières de l'innovation en recherche et éducation , en partenariat avec Université Paris Diderot - Paris 7 (établissement de préparation) et de Laboratoire Matière & Systèmes Complexes (Paris) (laboratoire) .

Le président du jury était Vincent Fourcassié.

Le jury était composé de Pascal Hersen, José Halloy, Vincent Fourcassié, Andrea Perna, Jacques Gautrais, Nathalie Stroeymeyt, Thibaud Monnin.

Les rapporteurs étaient Andrea Perna, Jacques Gautrais.


  • Résumé

    Au sein du règne animal, les insectes sociaux fascinent les humains. En particulier les fourmis, capables de s’adapter à des environnements très variés et d’utiliser le biotope à leur avantage. L’observation de pratiques que l’on a longtemps pensées exclusives à l’humain telles que l’agriculture (de champignons) ou l’élevage (de pucerons) ne rend que plus urgente l’envie de comprendre de quelle manière s’opèrent ces phénomènes. Il s’avère que les fourmis réalisent certaines tâches de manière différente des humains. Par exemple pour trouver le chemin le plus court vers de la nourriture ou le meilleur nid vers lequel migrer, la colonie peut faire son choix de manière collective, décentralisée et sans avoir besoin que les individus ne comparent les options. Mon travail a consisté à élaborer et utiliser de nouvelles méthodes pour l’étude des fourmis. Deux objectifs complémentaires ont été fixés pour le conduire : réaliser un système biohybride et essayer de contrôler le comportement des fourmis. Le premier objectif consiste à se demander ce qu’il pourrait se passer si l’on connectait une colonie de fourmis à un ordinateur. Il s’agissait dans un premier temps de donner la vue à l’ordinateur sur ce que fait la colonie de fourmis. Il fallait ensuite fournir à l’ordinateur des moyens d’action sur la colonie.Pour cela, j’ai conçu et mis à l’épreuve des outils de suivi de l’activité de la colonie, ainsi que des environnements modulaires où évoluent les fourmis. J’ai créé un dispositif de suivi et d’analyse d’image embarquée sur micro-ordinateur et grâce à l’impression 3D j’ai fabriqué des modules de différentes tailles qui peuvent être assemblés afin de former un environnement structurellement varié. Afin que l’ordinateur puisse agir sur les fourmis, j’ai choisi de lui donner la possibilité de modifier les conditions environnementales, en particulier la température. Une fois le système conçu j’ai réalisé des expériences afin de savoir ce que les changements locaux de température induisent sur le comportement des fourmis. La caractérisation du comportement face à des changements de température apporte un éclairage sur la relation des fourmis à leur environnement. Cela a ensuite permis d’explorer les questions de contrôle du comportement des fourmis par une machine. L’usage de la température ayant démontré sa capacité à moduler localement le taux de présence des fourmis, j’ai pu ensuite prouver qu’il était possible de confiner une fourmi dans une zone prédéfinie. Enfin, j’ai mis en place une boucle de contrôle où la température utilisée pour confiner la fourmi dépend de son activité en temps réel. Cette dernière expérience permet de mettre en lumière la complexité du rapport des fourmis à leur environnement et ouvre de nouvelles perspectives dans la continuité de ce travail. Cette thèse a permis d’éclaircir des thématiques nouvelles appliquées aux fourmis, qui sont celles des systèmes biohybrides et du contrôle du vivant et de mettre en évidence les directions accessibles à l’avenir. Au cours de cette recherche, de nombreux outils ont été conçus. Les prototypes fonctionnels d’environnement modulaires ont démontré la pertinence de l’utilisation d’imprimante 3D pour l’étude des fourmis. Les différents outils de suivi, d’enregistrement et de traitement des données vidéos fournissent de nouvelles possibilités expérimentales inédites et pourront être utilisés pour d’autres études, notamment au temps long. Les dispositifs de contrôle de la température ont de même été conçus par des moyens propres au prototypage rapide, ce qui les rend accessibles, modulables et reproductibles dans une démarche open source

  • Titre traduit

    Ants and machines : interfacing living systems and artificial systems


  • Résumé

    Within the animal kingdom social insects fascinate humans. Especially ants, which are capable of adapting to various environments and taking advantage of their biotopes. Observing practices that we would have thought to be exclusive to humans – such as farming (of mushrooms) or breeding (of aphids) – spurs the will to understand by which mean ants operate. It turns out that ants achieve certain tasks in different ways than humans. For instance, to find the shortest path to a food source, or the best nest to migrate to; the colony can make a collective decision, decentralized and without the need of direct comparisons by individuals. My work has consisted of the elaboration and use of new methods to study ants. Two complementary objectives have been chosen to drive the work: implementation of a biohybrid system and assessing the means of and limits to controlling the behaviour of ants. The first objective consists of asking ourselves what will happen if we connected an ant colony with a computer For this I have designed apparatus that permit interaction between those two entities. It involved giving sight to the computer into what the colony was doing, then providing ways for the computer to act on the colony. To do so, I designed and tried out tools to monitor the activity of colonies as well as modular environments which ants can inhabit. I designed an embedded system that records and analyses activity of ant colonies on a micro-computer. I designed and 3D printed modules of various sizes that can be assembled together to form a structurally varied environment. For the computer to be able to act upon ant behaviour, I chose to endow it with the capability of modifying environmental conditions, at particular temperatures. Once the system was built, I conducted experiments to assess how local changes of temperature affect ant behaviour. This characterisation of behaviour under temperature changes sheds light on the relation of ants with their environment. This permitted the exploration of questions of control of behaviour of ants by a machine. The use of temperature having proved its capacity to modulate the local occupancy density, I then have been able to show that it was possible to confine an ant in a set location. Finally, I implemented a closed feedback loop system, in which the temperature used to confine the ant is dependent on the ant activity in real time. This last experiment shed light on the complexity of the dynamic relation between ants and their environments and opened new perspectives for future investigations. During this research, many tools were developed. Functional prototypes of moduary environments have demonstrated the relevance of using 3D printers for the study of ants. The various tools for monitoring, recording and processing video data provide new and innovative experimental possibilities and can be used for other studies, especially over long periods of time. Temperature control devices have as well been designed using rapid prototyping tools, making them accessible, scalable and reproducible in an open source approach.


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