Recherche
Mieux comprendre les couleurs des animaux en reproduisant l’évolution sur ordinateur
Publié le 25 novembre 2021 – Mis à jour le 25 novembre 2021
Un texte de la Minute Recherche par Aliou Barry, Pauline Bennet, Rémi Pollès, Emmanuel Centeno et Antoine Moreau (Institut Pascal, unité mixte de recherche CNRS / UCA).
Si la lumière est utilisée pour l'énergie (les panneaux photovoltaïques) ou l'information (dans les fibres optiques), nombreuses sont les interrogations à propos des structures appropriées pour obtenir l'effet désiré, comme absorber le maximum de lumière pour un panneau solaire ou séparer les informations sortant d'une fibre optique. On demande alors à des ordinateurs d'essayer virtuellement de nombreuses solutions pour voir celles qui fonctionnent le mieux. Seulement, jusqu’à maintenant, les solutions proposées par les ordinateurs étaient désordonnées, loin de présenter l'élégance des solutions naturelles.
Or, chez de nombreux animaux, insectes comme les mouches vertes ou oiseaux notamment, on trouve des couleurs brillantes et changeantes, souvent presque métalliques. Ces couleurs ne sont pas dues à des colorants mais à des structures à l'échelle microscopique, qui jouent avec les propriétés de la lumière pour obtenir des effets optiques saisissants. Ces structures sont souvent régulières quand on les regarde au microscope et servent d'inspiration aux physiciens.
En utilisant des méthodes qui s’inspirent de l'évolution naturelle, et qu'on appelle algorithmes évolutionnaires, notre étude, en collaboration avec des chercheurs en informatique et en biologie, a montré que l'on pouvait retrouver les solutions naturelles, qui se révèlent souvent meilleures. Nous avons ainsi obtenu les mêmes structures que celles sur les carapaces des mouches vertes, ou celles sur les ailes des papillons bleus Morpho. Cela signifie que l'évolution est bien capable de produire les meilleures solutions possibles. En d’autres mots, qu’elle optimise.
En recréant en quelque sorte une évolution en modèle réduit, in silico, des structures ont été obtenues, particulièrement intéressantes pour aider les panneaux solaires à absorber plus efficacement la lumière. Enfin, en résolvant des problèmes dont on connaît la solution fournie par l'évolution, ces travaux permettent aussi d'améliorer les algorithmes utilisés – or ce sont ceux qu'on utilise déjà dans le domaine de l'intelligence artificielle pour la phase d'apprentissage.
En définitive, les ailes des papillons vont donc aider les chercheurs à améliorer les intelligences artificielles de demain !
Structures obtenues par algorithmes (gauche) et naturelles chez le Morpho
Or, chez de nombreux animaux, insectes comme les mouches vertes ou oiseaux notamment, on trouve des couleurs brillantes et changeantes, souvent presque métalliques. Ces couleurs ne sont pas dues à des colorants mais à des structures à l'échelle microscopique, qui jouent avec les propriétés de la lumière pour obtenir des effets optiques saisissants. Ces structures sont souvent régulières quand on les regarde au microscope et servent d'inspiration aux physiciens.
En utilisant des méthodes qui s’inspirent de l'évolution naturelle, et qu'on appelle algorithmes évolutionnaires, notre étude, en collaboration avec des chercheurs en informatique et en biologie, a montré que l'on pouvait retrouver les solutions naturelles, qui se révèlent souvent meilleures. Nous avons ainsi obtenu les mêmes structures que celles sur les carapaces des mouches vertes, ou celles sur les ailes des papillons bleus Morpho. Cela signifie que l'évolution est bien capable de produire les meilleures solutions possibles. En d’autres mots, qu’elle optimise.
En recréant en quelque sorte une évolution en modèle réduit, in silico, des structures ont été obtenues, particulièrement intéressantes pour aider les panneaux solaires à absorber plus efficacement la lumière. Enfin, en résolvant des problèmes dont on connaît la solution fournie par l'évolution, ces travaux permettent aussi d'améliorer les algorithmes utilisés – or ce sont ceux qu'on utilise déjà dans le domaine de l'intelligence artificielle pour la phase d'apprentissage.
En définitive, les ailes des papillons vont donc aider les chercheurs à améliorer les intelligences artificielles de demain !
Structures obtenues par algorithmes (gauche) et naturelles chez le Morpho
Référence
Barry, M.A., Berthier, V., Wilts, B.D. et al. Evolutionary algorithms converge towards evolved biological photonic structures. Sci Rep 10, 12024 (2020).