Principe de fonctionnement
Le dispositif est composé de six chambres, la température dans chacune de ces chambres peut être réglée entre 26 °C et 70 °C. Une caméra enregistre l’activité pendant la durée de l’expérience et fournit un flux d’images à un programme capable de mesurer la position de la fourmi en temps réel. Un autre programme va recevoir cette information et envoyer des commandes de températures aux systèmes de chauffe, afin de modifier la température des différentes chambres.
Matériaux et méthodes
Le bras : contrôler la température
Le système actif est de même conception que le précédent à deux chambres : des modules Peltiers servent à chauffer chaque chambre et sont contrôlés par une boucle PID implémentée sur une Raspberry Pi. Plusieurs améliorations ont été apportées telles que l’usage de capteurs de températures plus précis ou l’ajout d’un dispositif de refroidissement par circulation d’eau froide, ce qui a permis d’améliorer la rapidité des changements de températures. Les détails sont à retrouver en annexe.
L’œil : suivre la fourmi
La température doit pouvoir être modifiée en fonction de la position de la fourmi, pour cela j’ai mis en place un script d’analyse en temps réel. Celui-ci est codé en Python et tourne sur la Raspberry Pi équipée de la caméra. Il récupère les images prises deux fois par minute qui sont produites en sus de la vidéo et destinées au streaming. Les positions des chambres sont données au départ et le numéro de la chambre dans laquelle se trouve la fourmi, inférée à partir de sa position, est envoyé au programme chargé de sélectionner les températures de chaque chambre.
Le cerveau : interfacer le contrôle et le suivi
Un programme codé en Python reçoit la position et choisit à quelle température mettre les différentes chambres selon des règles préétablies . Ces consignes de températures sont envoyées à des modules PID gérés par Node-Red, qui grâce aux mesures de températures à la surface des Peltiers peuvent régler le courant à fournir.
L’autre : fourmis
Pour chaque réplique, une fourmi (Messor barbarus) est sélectionnée et placée dans le dispositif qui a été nettoyé au préalable. La méthode de sélection consiste à approcher une petite spatule près des individus et à les prendre s’ils ont un comportement agressif envers l’objet.
Chapitre 4 - Contrôle du comportement par le biais de la température : utilisation d’un système biohybride
Figure 44-2 Schéma de l'aire expérimentale. De haut en bas : les fourmis sont libres de se déplacer entre 6 chambres circulaires - Vue de dessus – Vue de dessous – Vue de côté, les encoches permettent de faire passer les fils des Peltiers, une fois les Peltiers insérés la hauteur restante est de 5 mm pour le déplacement des fourmis. Les cotes sont en mm.
Figure 4-3 Capture d’une vidéo expérimentale.
Que faire avec un tel dispositif ?
Comme discuté au premier chapitre, l’étude des systèmes biohybrides permet d’étudier le comportement animal dans un cadre original. De nombreuses possibilités s’ouvrent et choisir parmi celles-ci n’est pas une tâche triviale. Le choix de la thématique du contrôle du vivant, étudiée au laboratoire avec des cellules, a permis de formuler une problématique : dans quelle mesure peut-on contrôler le comportement des individus ou des groupes de fourmis en modifiant la température ?
Le choix du contrôle
Cette question posée nécessite d’être précisée : que cherchera-t-on à contrôler ? Les spécificités des systèmes vivants par rapport aux systèmes inertes n’ont pas pour seules conséquences de rendre plus difficile l’accomplissement des tâches de contrôle, ils compliquent aussi la définition des tâches à accomplir et des moyens pour les atteindre. Si l’on reprend l’exemple de la climatisation d’une pièce, définition de la tâche, moyens pour l’atteindre et accomplissement peuvent être clairement déterminés. La tâche est de maintenir une pièce à une température donnée, le moyen pour l’atteindre est de mesurer la température de la pièce et d’activer le chauffage à une certaine valeur de puissance, l’accomplissement est facilement mesurable ; sa difficulté dépendra principalement de l’amplitude des variations extérieures. Pour les systèmes vivants, une fourmi par exemple, la nature de la tâche à réaliser est à définir, les moyens nécessitent de définir des mesures quantifiables du comportement, et enfin l’accomplissement est compliqué par le fait que les organismes vivants ont une autonomie vis- à-vis des changements du milieu qui diffère entre les individus, les réplications et la durée de l’expérience.
Comme objectif, pour cette première preuve de principe, j’ai choisi le confinement des individus dans une zone du dispositif. Contrairement à un système classique de contrôle, la mesure de l'état du système (position de la fourmis) n'est pas continue (la fourmi ne pouvant être que dans 6 états différents sur lesquelles la machine peut avoir une influence). Cela réduit la densité d'information que peut utiliser le système, car n'est exploitable que l'information des moments où la fourmi change de chambre. Il serait possible d'exploiter la vitesse de la fourmi comme information, mais cela nécessite des hypothèses sur le lien entre vitesse et réponse à la température. Or les hypothèses "simples" que j'ai pu tester au cours des expériences à deux chambres n'ont pas pu être vérifiées. Cet aspect implique donc de travailler sur des temps longs (afin d'être en mesure d'observer de nombreux changements de chambre). En revanche, la température de chaque chambre peut prendre une valeur continue. C'est donc sur le paramètre de contrôle que j'ai fait porter la question expérimentale : y-a-t-il une température minimale de confinement ? Enfin, la réalisation de l’objectif de contrôle est perturbée en raison des fluctuations de la réponse thermique, ce qui justifie et met en valeur l'usage d'une boucle de contrôle fermé (utiliser l’information de la position en temps réel).
Chapitre 4 - Contrôle du comportement par le biais de la température : utilisation d’un système biohybride