Lorsqu’il est question de reproduction, les papillons Heliconius se fient à deux critères : l’apparence et l’odeur de leur partenaire potentiel. Malgré leur petit cerveau, ces papillons noir et orange doivent traiter simultanément ces deux informations sensorielles, une tâche que les technologies d’intelligence artificielle actuelles ne peuvent accomplir sans une consommation d’énergie considérable.

Afin de rendre l’IA aussi performante que les papillons, une équipe de chercheurs de Penn State a développé une plateforme d’IA multisensorielle plus avancée et économe en énergie que les autres technologies disponibles.

Les chercheurs soulignent que les technologies d’IA actuelles peinent à reproduire les processus de prise de décision multisensoriels utilisés par les humains et les animaux. Cette limitation entrave le potentiel d’utilisation de l’IA dans des domaines tels que la robotique et les capteurs intelligents pour la détection de dangers comme les structures défectueuses ou les fuites chimiques imminentes.

« Si vous pensez à l’IA dont nous disposons aujourd’hui, nous disposons de très bons processeurs d’images basés sur des processeurs visuels ou d’excellents processeurs de langage utilisant l’audio », a déclaré Saptarshi Das, professeur agrégé de sciences de l’ingénierie et de mécanique et auteur correspondant de l’étude.

« Mais quand on pense à la plupart des animaux et aussi aux êtres humains, la prise de décision est basée sur plus d’un sens. Même si l’IA fonctionne assez bien avec une seule entrée sensorielle, la prise de décision multisensorielle ne se produit pas avec l’IA actuelle. »

Les papillons Heliconius choisissent un partenaire via un signal visuel simultané (constatant que le motif des ailes du partenaire potentiel est bien celui d’un papillon Heliconius) et un signal chimique des phéromones libérées par l’autre papillon. Il convient de noter, a déclaré Das, que le papillon gère cela avec un petit cerveau qui utilise un minimum d’énergie. Cela contraste directement avec l’informatique moderne, qui consomme une quantité importante d’énergie.

« Les cerveaux des papillons et de nombreux autres animaux sont très petits et utilisent de faibles quantités de ressources, à la fois en termes d’énergie utilisée et de taille physique du cerveau », a déclaré Das. « Et pourtant, ils effectuent des tâches informatiques qui reposent sur plusieurs entrées sensorielles à la fois. »

Pour imiter ce comportement électroniquement, les chercheurs se sont tournés vers une solution possible impliquant des matériaux 2D, d’une épaisseur de un à quelques atomes. Les chercheurs ont développé une plate-forme matérielle composée de deux matériaux 2D, le sulfure de molybdène (MoS2) et le graphène.

La partie MoS2 de la plate-forme matérielle est un memtransitor, un composant électronique capable d’effectuer à la fois des processus de mémoire et d’information. Les chercheurs ont choisi MoS2 pour ses capacités de détection de la lumière, qui imitent les capacités visuelles du papillon.

La partie graphène de l’appareil est un chimitransistor capable de détecter des molécules chimiques et d’imiter la détection de phéromones dans le cerveau du papillon.

« Le signal visuel et le signal chimique de la phéromone déterminent si la femelle papillon s’accouplera ou non avec le papillon mâle », a déclaré le co-auteur Subir Ghosh, étudiant en deuxième année de doctorat en sciences de l’ingénierie et en mécanique.

« Nous avons donc eu une idée inspirée par cela, en réfléchissant à la manière dont nous disposions de matériaux 2D dotés de ces capacités. Le MoS2 photosensible et le graphène chimiquement actif pourraient être combinés pour créer une plate-forme visuochimique intégrée pour l’IA et l’informatique neuromorphique. »

Les chercheurs ont testé leur appareil en exposant leur capteur bi-matériau à différentes lumières colorées, en imitant les signaux visuels et en appliquant des solutions aux compositions chimiques variables ressemblant aux phéromones libérées par les papillons.

L’objectif était de voir dans quelle mesure leur capteur pouvait intégrer les informations du photodétecteur et du chemisensor, de la même manière que le succès de l’accouplement d’un papillon repose sur la correspondance de la couleur des ailes et de la force des phéromones.

En mesurant la réponse de sortie, les chercheurs ont déterminé que leurs appareils pouvaient intégrer de manière transparente des signaux visuels et chimiques. Cela met en évidence le potentiel de leur capteur à traiter et interpréter simultanément divers types d’informations, ont-ils déclaré.

« Nous avons également introduit l’adaptabilité dans les circuits de nos capteurs, de sorte qu’un indice puisse jouer un rôle plus important que l’autre », a déclaré Yikai Zheng, doctorant de quatrième année en sciences de l’ingénierie et en mécanique et co-auteur de l’étude. « Cette adaptabilité s’apparente à la façon dont une femelle papillon ajuste son comportement d’accouplement en réponse à différents scénarios dans la nature. »

La double détection dans un seul appareil est également plus économe en énergie, ont indiqué les chercheurs, par rapport au fonctionnement actuel des systèmes d’IA. Ils collectent les données de différents modules de capteurs, puis les transfèrent vers un module de traitement, ce qui peut entraîner des retards et une consommation d’énergie excessive.

Ensuite, les chercheurs ont déclaré qu’ils prévoyaient de passer de l’intégration de deux sens à trois sens dans leur appareil, imitant la façon dont une écrevisse utilise des signaux visuels, tactiles et chimiques pour détecter ses proies et ses prédateurs. L’objectif est de développer des dispositifs matériels d’IA capables de gérer des scénarios de prise de décision complexes dans divers environnements.

« Nous pourrions avoir des systèmes de capteurs dans des endroits comme une centrale électrique, qui détecteraient des problèmes potentiels tels que des fuites ou des systèmes défaillants sur la base de plusieurs signaux sensoriels », a déclaré Ghosh. « Comme une odeur chimique, ou un changement de vibration, ou la détection visuelle de faiblesses. Cela aiderait alors mieux le système et le personnel à déterminer ce qu’ils doivent faire pour y remédier rapidement, car il ne s’agissait pas seulement d’un seul sens, mais de plusieurs. »

Plus d’informations : Yikai Zheng et al, Une plateforme neuromorphique multisensorielle inspirée des papillons pour l’intégration d’indices visuels et chimiques, matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202307380

Fourni par l’Université d’État de Pennsylvanie