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La plupart des organismes vivants surpassent facilement les machines lorsqu’il s’agit de se déplacer dans des environnements réels et de s’adapter aux conditions changeantes. Une façon de combler cet écart est de construire des robots biohybrides qui associent des machines synthétiques à des composants biologiques comme les muscles des animaux, les bactéries ou les plantes.
Mais les muscles vivants sont très difficiles à maintenir en vie dans une machine, les bactéries ont une durée de vie très courte et les plantes ont tendance à réagir un peu lentement aux choses, comme les Ents dans Le Seigneur des AnneauxUne équipe de scientifiques de l’Université Cornell a donc emprunté une voie différente et a construit des robots biohybrides contrôlés par des champignons, plus précisément des pleurotes.
Comprendre les signaux des champignons
Des robots contrôlés par des champignons, malgré leur forte Le dernier d’entre nous Les vibrations sont une bonne idée sur le papier. Les champignons sont très faciles à entretenir et peuvent vivre à peu près partout, y compris dans des environnements extrêmes comme l’Arctique, ou même au milieu d’une contamination nucléaire. Ils sont également peu coûteux à cultiver en grande quantité et excellent à réagir aux signaux environnementaux comme l’exposition à la lumière.
Le principal défi était de les connecter à des robots, car comment peut-on connecter un robot à un champignon ?
«Auparavant, la connexion entre un champignon et une machine électrique était réalisée par imagerie [how rapidly it was growing]« La nouveauté que nous avons réalisée a été de nous connecter directement au mycélium et de l’utiliser pour contrôler une machine », explique Robert F. Shepherd, professeur associé de génie mécanique à Cornell et co-auteur de l’étude. Le mycélium est un vaste réseau de structures filamenteuses ramifiées appelées hyphes, qui sont souvent situées sous terre. Les champignons l’utilisent pour détecter l’environnement et communiquer entre eux par des signaux électriques.
L’astuce pour connecter le mycélium à un système électrique consistait à le cultiver dans un support imprimé en 3D jusqu’à ce qu’il se développe dans les électrodes après 14 à 33 jours. Mais établir une connexion stable était une chose ; lire ses signaux en était une autre.
L’équipe a enregistré l’activité électrique des champignons pendant 30 jours, puis a analysé ce qu’elle voyait. Pour commencer, tous les signaux inférieurs à 5 microvolts ont été classés comme du bruit. Ensuite, l’équipe a échantillonné les données à des intervalles de 30 secondes et a appliqué un filtre numérique pour lisser tout ce qui était inférieur à ces 5 microvolts et supprimer le bruit électronique. De cette façon, ils ont pu identifier, mesurer et caractériser avec précision les pics de communication électrique fongique. Une fois cela fait, Shepherd et ses collègues ont commencé à tester la façon dont les champignons réagissent à des stimuli simples comme l’exposition à la lumière UV à différentes intensités. Une fois cela fait, les échafaudages contenant les mycéliums fongiques et les électrodes ont été protégés des vibrations et des interférences magnétiques et installés dans deux robots : un robot ambulant ressemblant à une étoile de mer et un robot à quatre roues plus standard.
L’équipe a démontré que les champignons pouvaient contrôler les robots en les faisant se rapprocher ou s’éloigner d’une source de lumière UV.
Cela signifie néanmoins que les unités de contrôle alimentées par des champignons, avec tout leur blindage et leur traitement du signal, ont accompli à peu près ce que le capteur de lumière le plus stupide du commerce pouvait faire. Mais les champignons, en plus de la lumière, peuvent réagir aux produits chimiques. Et en matière de détection de produits chimiques, ils battent à peu près tous les capteurs synthétiques de la planète.
Détecteurs chimiques fongiques
« Une fois que nous aurons ce système mieux contrôlé, il est clair que nous devons nous intéresser aux expositions chimiques et biologiques. Les organismes vivants peuvent amplifier ces signaux bien mieux que les systèmes synthétiques qui détectent des quantités très, très infimes de produits chimiques », explique Shepherd. Il ajoute qu’utiliser des champignons comme détecteurs chimiques serait beaucoup plus difficile, car cela impliquerait de faire correspondre l’activité électrique enregistrée dans les champignons à leur exposition à un large catalogue de stimuli chimiques comme l’acidité de l’environnement ou la présence de composés chimiques spécifiques comme le cyanure.
Le moyen le plus probable d’y parvenir consisterait à enregistrer de grands ensembles de données de signaux électriques fongiques émis en réponse à chaque exposition, à les annoter, puis à entraîner des modèles d’IA à interpréter le langage fongique. Idéalement, il serait possible de déterminer que « ce schéma électrique signifie que le sol est légèrement trop acide ».
« Le champignon interagit avec l’environnement et nous devons simplement apprendre ce que signifient tous les signaux. À quoi ressemble le signal lorsqu’il rencontre quelque chose qu’il aime et à quoi il ressemble lorsqu’il déteste quelque chose », explique Shepherd. De nombreuses choses qui tuent les champignons tuent également les plantes, ajoute-t-il, ce qui rend les robots biohybrides fongiques potentiellement utiles en agriculture.
« Nous voyons ces systèmes comme des points de connexion, mesurant la santé des plantes pour éviter de surfertiliser les champs. Imaginez un robot quadrupède avec ses pieds chargés de mycélium qui détecte localement lorsqu’il traverse l’environnement. Ou un mycélium qui pousse dans tout un champ et un robot qui enfonce des électrodes dans cet environnement riche en mycélium pour s’y connecter », explique Shepherd. Le seul problème est que les champignons, comme tous les êtres vivants, finissent par mourir. Mais l’équipe voit aussi des moyens de contourner ce problème.
« Nous avons la capacité de réinjecter des spores et des nutriments pour faire repousser l’ancien mycélium, et cela va être une chose intéressante. La vie, la mort et la renaissance de nos robots », explique Shepherd.
Robotique scientifique, 2024. DOI: 10.1126/scirobotics.adk8019