LES ROBOTS, DES PUCES PLEIN LA TÊTE

Les robots, des puces plein la tête ! Et ces puces, que font-elles ? De
la géométrie, de l'algèbre, de l'analyse, bref, des mathématiques ! Mais
pas seulement. Commençons par réaliser qu'il n'est pas facile de définir
ce qu'est un robot, qu'il n'est pas plus facile de définir ce qu'est la
robotique. Nous verrons alors un ensemble de questions qui se posent
lorsque l'on veut faire tenir un robot debout sur ses deux jambes,
lorsqu'on veut lui faire attraper un objet de la main, lorsqu'on veut
lui faire faire tout ça en même temps. Et nous verrons que ces questions
nous amènent à naviguer entre mathématiques et informatique. La
robotique n'existe ainsi comme tant d'autres domaines que dans
l'assemblage, dans le mariage des savoirs. Pour faire marcher les
robots, il faut donc faire des mathématiques, de l'informatique, et
plein d'autres choses encore !

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Paris, 26 mai 2015

Une première mondiale pour le stockage de données sur polymères

Des chercheurs sont pour la première fois parvenus à inscrire un code binaire sur un polymère synthétique. Inspirée par la manière dont l'ADN conserve une énorme quantité de données génétiques, une équipe de l'Institut Charles Sadron de Strasbourg (CNRS) et de l'Institut de chimie radicalaire (CNRS/Aix Marseille Université) a synthétisé et lu un message de plusieurs bits sur un polymère artificiel. Ces travaux ont été publiés dans Nature Communications le 26 mai 2015.
Avec ses 3,4 milliards de paires de bases, l'ADN humain compile une gigantesque masse d'informations dans un volume infime. Toute l'information qui y est stockée s'exprime grâce à quatre bases azotées : A, T, G et C. Des chercheurs avaient déjà réussi à utiliser l'alternance de ces véritables briques moléculaires pour reproduire un code binaire. Mais face aux limites techniques que pose l'ADN, il fallait encore développer le premier polymère synthétique, plus maniable et moins onéreux, apte à conserver des données binaires. Cette première mondiale vient d'être accomplie par une équipe de scientifiques français du CNRS et d'Aix-Marseille université.
Dans cette étude, plutôt que de se servir des quatre bases azotées de l'ADN, les chercheurs ont utilisé trois monomères1. Deux de ces monomères représentent les chiffres 0 et 1 du langage binaire et peuvent être utilisés de manière interchangeable au cours de la synthèse. Un troisième monomère de type nitroxide est intercalé entre les bits afin de faciliter l'écriture et la lecture de la séquence codée.
Un court message binaire est synthétisé à la main, monomère par monomère, sur une chaîne en croissance. L'opération prend environ une journée, mais devrait se réduire une fois robotisée. La lecture fonctionne par séquençage, de la même manière que l'ADN est décodé depuis des dizaines d'années. Un spectromètre de masse met ainsi moins de cinq minutes à déchiffrer les données, une durée elle aussi vouée à diminuer à court terme.
Il est aussi possible d'effacer le code à tout moment en l'exposant à une température supérieure à 60 degrés Celsius ou à un laser alors que le séquençage détruit le polymère. Les chercheurs ont montré qu'à température ambiante, le polymère se conserve plusieurs mois, même s'il pourrait en fait tenir plusieurs années tant la molécule est stable.
L'équipe souhaite stocker des messages de quelques kilooctets, voire mégaoctets, d'ici trois à cinq ans. Cette technique, brevetée par le CNRS, permet aussi le développement à court terme de codes-barres moléculaires. Les séquences fourniraient un étiquetage extrêmement complexe à falsifier, idéal pour des denrées à forte valeur ajoutée comme les produits de luxe et les médicaments. L'utilisation de monomères et de codes secrets, connus seulement par le laboratoire et l'industriel, rendrait les contrefaçons extrêmement difficiles.
Sur le même sujet : un article du CNRS le journal

Notes :
1Molécule utilisée pour la synthèse des polymères, des substances composées de molécules caractérisées par la répétition d'un ou de plusieurs atomes ou groupes d'atomes.
Références :
Design and synthesis of digitally-encoded polymers that can be decoded and erased. Raj Kumar Roy, Anna Meszynska, Chloé Laure, Laurence Charles, Claire Verchin and Jean-François Lutz, Nature Communications, 26 mai 2015. DOI : 10.1038/ncomms8237

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Paris, 9 JUILLET 2013

Deux bouffées de bioluminescence révèlent un mouvement de masses d'eau en Méditerranée

En 2009 et 2010, le télescope sous-marin Antares a observé un étrange phénomène : la bioluminescence due aux organismes abyssaux a brusquement augmenté. Ceci a permis de révéler un lien inattendu entre une activité biologique – la bioluminescence – et le mouvement de masses d'eau en milieu profond. En effet, les mouvements de convection dans le golfe du Lion apportent aux eaux profondes, de l'oxygène et des nutriments qui « boostent » l'activité biologique. Publiés le 10 Juillet dans PLoS ONE, ces travaux ont été réalisés par une équipe coordonnée par des chercheurs CNRS de l'Institut méditerranéen d'océanographie (CNRS / IRD / Aix-Marseille Université / Université du Sud Toulon-Var) et du Centre de physique des particules de Marseille (CNRS / Aix-Marseille Université).
Déployé au large de Toulon, le télescope Antares a pour but de détecter le passage des neutrinos cosmiques de très haute énergie1. Ces particules interagissent peu avec la matière. Néanmoins, lorsque l'une d'entre elles frappe une molécule d'eau, elle peut produire un muon, particule chargée, qui émet des photons lors de son passage. C'est cette radiation que les 900 photomultiplicateurs d'Antares sont chargés d'observer à 2 400 mètres de profondeur.

Ces profondeurs ne sont pas aussi sombres qu'on pourrait le croire : 90% des organismes abyssaux sont en effet capables d'émettre de la lumière, qui intervient dans de nombreuses interactions écologiques comme l'attirance des proies ou les comportements liés à la reproduction. Les bactéries des abysses, qu'elles soient libres, en symbiose avec des animaux ou bien attachées à des particules en suspension, sont capables d'émettre de la lumière en continu et sont adaptées à leur environnement comme l'ont démontré Christian Tamburini et ses collègues dans un autre article publié en juin dernier2.

Cette bioluminescence n'avait pas gêné la mission d'Antares. Néanmoins, deux épisodes survenus entre mars et juillet des années 2009 et 2010 ont littéralement ébloui le télescope. Le bruit de fond lumineux mesuré par le détecteur, généralement compris entre 40 et 100 kHz, est soudain passé à 9 000 kHz. Ce pic de bioluminescence coïncide avec une augmentation de la température de l'eau et de la salinité. Ceci a permis aux chercheurs de faire le lien entre la bioluminescence et les mouvements de convection ayant lieu dans le golfe du Lion.

Lors des hivers particulièrement froids et secs, la température des eaux superficielles du golfe du Lion chute tandis que leur salinité augmente du fait de l'évaporation. Résultat, ces masses d'eau deviennent plus lourdes que celles qui les soutiennent et coulent. Ce mouvement, dit de convection, est bien connu. Or, les eaux superficielles sont riches en oxygène et en nutriments. En s'enfonçant, elles apportent aux eaux profondes des ressources permettant à l'activité biologique de s'intensifier. C'est ce pic d'intensité de l'activité biologique qu'Antares a observé de façon inattendue.

Les chercheurs estiment que la mesure de la bioluminescence pourrait devenir la première méthode pour mesurer en continu l'activité biologique en eaux profondes. Elle permettrait de mieux comprendre l'impact sur la vie des mouvements des masses d'eau et la circulation océanique. Ceci est d'autant plus important que des phénomènes tels que les convections d'eau profonde devraient diminuer notablement au cours de ce siècle du fait du réchauffement climatique. Cette diminution aura des conséquences importantes sur les écosystèmes profonds, qui se verront privés de cet apport en nutriments et oxygène. Les chercheurs entendent désormais déterminer les organismes responsables de la lumière observée par Antares encore non identifiés, et développer une instrumentation permettant de mesurer la bioluminescence en continu et de façon autonome.

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L'ASSISTANCE   GRAVITATIONNELLE

L’assistance gravitationnelle est une technique utilisant l'attraction des planètes pour donner un supplément de vitesse à une sonde interplanétaire. On parle aussi d'effet de fronde gravitationnelle. Cette technique est maintenant employée pour la plupart des sondes interplanétaires, dans le but d'économiser du carburant. Voici pourquoi.

La gravitation impose de nombreuses contraintes rendant difficile un voyage en ligne droite d’une planète à un autre, à moins de disposer d’un moteur-fusée exceptionnel. En effet, pour atteindre une vitesse donnée, par exemple celle de libération d’une planète, il faut dépenser du carburant… pour propulser le carburant. Pour une charge utile donnée, il faut pouvoir éjecter des gaz aux vitesses les plus élevées possible si l’on dispose de peu de carburant. Pour le moment, on en est encore réduit à faire voyager des masses peu importantes selon des trajectoires bien déterminées lorsqu’on veut visiter une planète du Système solaire.

Il existe heureusement une stratégie pour voyager d’une planète à une autre en économisant du carburant : l’assistance gravitationnelle. Elle consiste à faire entrer une sonde dans ce que l’on appelle la sphère de Hill (du nom de son découvreur, le mathématicien et astronome George Hill), encore appelée la sphère de Roche (du nom du mathématicien et astronome français Édouard Roche). Cette sphère d’influence gravitationnelle d’un corps céleste, que l’on ne doit pas confondre avec la limite de Roche, définit une région dans laquelle un autre corps céleste a tendance à rester naturellement un satellite du premier malgré l’influence gravitationnelle d’un troisième corps. La Terre possède donc une sphère de Hill par rapport au Soleil dans laquelle se trouve la Lune, et il en est de même pour la Lune elle-même par rapport à la Terre et au Soleil, ainsi que pour les autres planètes comme Jupiter et Vénus.

Lorsqu’une sonde entre dans une sphère de Hill avec une vitesse suffisante pour ne pas y rester, sa vitesse augmente comme le ferait une bille tombant dans une cuvette avant de diminuer à la sortie de la cuvette. On pourrait croire que le bilan est nul, mais du fait du mouvement de la planète possédant une sphère de Hill, il devient possible d’emprunter une partie du moment cinétique orbitale de la planète pour douer la sonde d’une impulsion supplémentaire si l’on s’y prend bien. En passant de planète en planète, une sonde peut donc accélérer pour atteindre des vitesses considérables sans utiliser de carburant et parcourir des distances beaucoup plus rapidement.

L'assistance gravitationnelle et l'exploration du Système solaire

L’idée d’utiliser l’influence gravitationnelle d’une planète pour changer la vitesse d’un vaisseau spatial remonte aux années 1920 avec les travaux du mathématicien ukrainien Yuri Kondratyuk. On lui doit aussi le rendez-vous en orbite lunaire (LOR, lunar orbit rendezvous) qui est le nom du scénario de mission qui a été suivi par le programme spatial Apollo pour envoyer des hommes sur la Lune. Mais c’est le mathématicien états-unien Michael Minovitch qui saisira vraiment toute la portée de l’idée de l'assistance gravitationnelle d'une planète en 1961, à savoir la possibilité de réduire la consommation de carburant nécessaire à des voyages interplanétaires rapides.

La Nasa va mettre en pratique pour la première fois ce concept avec la sonde Mariner 10, qui utilisera Vénus le 5 février 1974 pour atteindre Mercure le 16 mars 1974. Il s’agissait du premier vol interplanétaire au moyen de l’assistance gravitationnelle, mais la technique avait tout de même déjà été utilisée lors du vol de la sonde russe Luna 3 en 1959. Mercure ne sera à nouveau visitée que 33 ans plus tard, par la sonde Messenger le 14 janvier 2008.

Les sondes Mariner 11 et 12 ne virent pas le jour à cause de compression de budget. Plutôt que de continuer à explorer le Système solaire interne, la Nasa utilisa les travaux déjà engagés pour un projet bien plus ambitieux. C’est ainsi que naquirent les sondes Voyager 1 et Voyager 2, ainsi que le projet d’un « Grand Tour » du Système solaire en direction des planètes externes. C’est l’ingénieur Gary Flandro qui s’est rendu compte en 1964 que les travaux de Minovitch, son collègue de la Nasa, permettaient d’envisager ce Grand Tour en moins de dix ans, ce qui semblait impossible étant donné la technologie de l’époque.

Depuis, l'assistance gravitationnelle d'une planète a été mise à profit par d’autres missions, comme celle de la sonde Cassini-Huygens qui l’a utilisée à plusieurs reprises pour parvenir à Saturne. Elle a modifié sa vitesse d'abord en passant à deux reprises près de Vénus, puis de la Terre et enfin de Jupiter. On peut citer aussi les exemples des sondes Rosetta et New Horizon.

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