22/2007E. Layan & E. Lopez1 Modélisation de la transition nage-marche dans un robot salamandre. From swimming to walking with a salamander robot driven.

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1 22/2007E. Layan & E. Lopez1 Modélisation de la transition nage-marche dans un robot salamandre. From swimming to walking with a salamander robot driven by a spinal cord model, A.J. Ijspeert, A. Crespi, D. Ryczko, J-M. Cabelguen

2 22/2007E. Layan & E. Lopez2 De la nage à la marche la marche greffée à la nage I.Un choix : La salamandre: un animal clé. II.Moyen explicatif : construction dun modèle numérique de colonne vertébrale implanté sur un robot à partir dhypothèses sur le fonctionnement de salamandre. III.Résultats : comparaison du comportement du robot et de la salamandre. IV.Conclusion : modèle fonctionnel, application des hypothèses à la salamandre… et donc à lévolution des espèces.

3 22/2007E. Layan & E. Lopez3 La salamandre : un animal clé (1) Évolution : –Amphibien ; –Position rampante ; –Locomotion axiale (cf. lamproie) ; Modèle : –Nombre de neurones < mammifères ; –Complexité moindre (amphibien) ; –SNC proche de la lamproie (modèle existant) ; –Application robotique varié.

4 22/2007E. Layan & E. Lopez4 La salamandre : un animal clé (2) Nage allure rapide ; ondulation du corps ; pattes repliées. Marche allure +lente ; Ondulations +faibles ; activation des pattes opposées. MLR (mesencephalic locomotor region) TroncPattes CPG (Central Pattern Generator) body-CPGlimb-CPG Structures impliquées dans la nage-marche

5 22/2007E. Layan & E. Lopez5 Restent inconnus –les mécanismes de coordination du tronc et des pattes : comment les différents centres oscillatoires sont couplés. –mécanismes impliqués dans le changement dallure: comment les centres oscillatoires sont dirigés par le MLR pour induire la locomotion et ses variations. Réponse apporter par –modélisation (un modèle numérique du CPG de la salamandre) ; –robotique (permet de valider le modèle). Problématique

6 22/2007E. Layan & E. Lopez6 Idée de base : la marche une nouvelle fonction. Hypothèses : ¤ Comment sopèrent le changement dondulations? H1 : –activation body-CPG ondulations spontanées ( travelling waves) ; –activation limb-CPG activation des pattes & impose son ondulation +lente au body-CPG ( standing waves) ; ¤ Comment le limb-CPG force-t-il ce changement d ondulations? H2 : les liens entre oscillateurs ont des poids différents : membrescorps > corpscorps > corpsmembres Salamandre Modèle (1)

7 22/2007E. Layan & E. Lopez7 Hypothèses (suite) : ¤ Comment sopère la transition nage-marche ? Pourquoi la vitesse (fréquence) de marche est plus faible que celle de nage? H3: –Oscillateurs des pattes saturent en haute fréquence. Allure = liée à la fréquence d'entrée du CPG ; vitesse liée à la force du drive. ¤ Pourquoi une augmentation RAPIDE de la vitesse (fréquence) lors de la transition marche-nage? H4: pour un même signal, les oscillateurs des pattes possèdent une fréquence plus faible que ceux du tronc. Salamandre Modèle (2)

8 22/2007E. Layan & E. Lopez8 Construction du modèle Reproduction de l organisation générale connue. Coordination des membres par inhibition réciproque: –Marche : membres diagonaux en phase. –centre oscillateur de la patte imprime son rythme aux 4 centres du tronc auquel il est relié. –Nage : propagation du signal dans le tronc. Body CPG Limb CPG

9 22/2007E. Layan & E. Lopez9 Application des hypothèses dans le but d obtenir un comportement similaire à celui de la salamandre: ¤ H3, H4 => introduction d une fonction de saturation linéaire qui module la fréquence (vi) et l amplitude (Ri) selon le signal envoyé (di). Fonction différente pour les oscillateurs des pattes et du tronc. ¤ H1 => action sur les liens entre oscillateurs donc sur le poids des liaisons (w ij). ¤ H2 =>des poids différents selon les couples d oscillateurs. Construction du modèle Activité du modèle CPG lorsque le signal donné par le MLR est progressivement augmenté. Focalisation sur les oscillateurs de la partie gauche du CPG. Xi est le burst produit par l oscillateur i.

10 22/2007E. Layan & E. Lopez10 Le robot pour tester le modèle 85 cm de long, un comportement similaire à celui de la salamandre sauf au niveau des pattes qui effectuent une rotation à 360°

11 22/2007E. Layan & E. Lopez11 Modèle robot vs. salamandre La marche: allure similaire. Seules différences: queue courbée dans sa totalité ; +de mouvements de tête. Vitesse : 0.03 à0.09 m/s < salamandre La nage : allure similaire. Seules différences : plus d ondulation des chaînons au dessus des pattes arrières. Vitesse : 0.07 à 0.12 m:s < salamandre.

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13 22/2007E. Layan & E. Lopez13 Robot et modèle salamandre Hypothèses validées et prédictions: ¤ les oscillateurs des pattes saturent à des fréquences plus faibles que ceux du tronc (cf.H3 ). Nouvelles hypothèses : les causes de la saturation proviendraient 1. D un mécanisme interne : les oscillateurs des pattes seraient intrinsèquement limités à des fréquences plus faibles. 2. D un mécanisme dans les neurones réticulospinaux : ils arrêteraient de transmettre l information motrice aux oscillateurs des pattes lorsque le signal est au dessus d un seuil donné. ¤ Les signaux des motoneurones du tronc et des pattes présentent des oscillations différentes pour un même drive (lorsque les oscillateurs des pattes isolés de ceux du tronc). (cf.H4 ). ¤ Une stimulation asymétrique entraîne la rotation. ¤ Une lésion de la voie neuronale entre oscillateurs des pattes et du tronc modifie la marche mais pas la nage. (cf.H1, H2 ).

14 22/2007E. Layan & E. Lopez14 Conclusion Triple intérêt: –neuro-biologie : modèle de transition de l'allure ; –évolution : compréhension d'un mécanisme d'évolution (addition) ; –robotique : adaptabilité Ce que nous retenons : –une méthode, une démarche explicative : formulation et validations d hypothèses. Extension de ses hypothèses ; –Le rôle de la modélisation et de la robotique dans lavancée des connaissances. Précautions à prendre : –Le modèle et le robot marche, pour autant peut-on affirmer que les hypothèses deviennent des faits établis ? Toujours un degré d incertitude; –Le fonctionnement moteur de la salamandre est-il représentatif de l évolution des vertébrés ?