Robot sous le règne d’un maître champignon

La plupart des organismes vivants surpassent facilement les machines en matière de navigation dans des environnements réels et d’adaptabilité aux conditions changeantes. Une manière de combler cette lacune est de construire des robots biohybrides qui combinent des machines synthétiques avec des composants biologiques comme des muscles d’animaux, des bactéries ou des plantes.

Cependant, il est très difficile de maintenir des muscles vivants dans une machine, les bactéries ont une durée de vie très courte, et les plantes ont tendance à réagir un peu lentement, comme les Ents dans Le Seigneur des anneaux. Ainsi, une équipe de scientifiques de l’Université Cornell a emprunté une voie différente en construisant des robots biohybrides contrôlés par des champignons, spécifiquement des pleurotes.

Comprendre les signaux des champignons

Les robots contrôlés par des champignons, bien qu’ils évoquent des sensations de The Last of Us, sont une bonne idée sur le papier. Les champignons sont très faciles à cultiver et peuvent vivre presque partout, y compris dans des environnements extrêmes comme l’Arctique, ou même au milieu d’une contamination nucléaire. Ils sont également bon marché à cultiver en grandes quantités et excellent à réagir aux stimuli environnementaux, comme l’exposition à la lumière.

Le principal défi, cependant, était de les interfacer avec des robots, car comment peut-on connecter un robot à un champignon ?

“Auparavant, la connexion entre un champignon et une machine électrique se faisait par imagerie [de sa croissance]. La nouveauté que nous avons introduite était une connexion directe au mycélium, utilisée ensuite pour contrôler une machine,” explique Robert F. Shepherd, professeur associé en ingénierie mécanique à Cornell et co-auteur de l’étude. Le mycélium est un grand réseau de structures filamenteuses ramifiées appelées hyphes, souvent situées sous terre. Les champignons l’utilisent pour sentir leur environnement et communiquer entre eux par des signaux électriques.

Le défi consistant à interfacer le mycélium avec un système électrique était de le cultiver dans un échafaudage imprimé en 3D jusqu’à ce qu’il croisse fondamentalement dans les électrodes après 14 à 33 jours. Mais établir une connexion stable était une chose ; lire ses signaux en était une autre.

L’équipe a enregistré l’activité électrique des champignons pendant 30 jours et a ensuite analysé ses données. Pour commencer, tous les signaux en dessous de 5 microvolts étaient classés comme bruit. Puis, l’équipe a échantillonné les données à des intervalles de 30 secondes et appliqué un filtre numérique pour lisser tout ce qui était en dessous de ces 5 microvolts et éliminer le bruit électronique. Ainsi, ils pouvaient identifier, mesurer et caractériser précisément les pics dans la communication électrique des champignons. Une fois cela fait, Shepherd et ses collègues ont commencé à tester comment les champignons réagissent à des stimuli simples comme l’exposition à la lumière UV à diverses intensités. Quand cela a été accompli, les échafaudages avec les mycéliums fongiques et les électrodes ont été protégés des vibrations et des interférences magnétiques, puis installés dans deux robots : un semblable à une étoile de mer et un rover à quatre roues plus classique.

L’équipe a démontré que les champignons pouvaient contrôler les robots en leur faisant déplacer vers ou loin d’une source de lumière UV.

Pourtant, cela signifie que les unités de contrôle alimentées par des champignons, avec tous leurs blindages et le traitement du signal, ont accompli à peu près ce qu’un capteur de lumière basique pourrait faire. Mais les champignons, en plus de la lumière, peuvent réagir à des substances chimiques. Et en matière de détection de produits chimiques, ils surpassent pratiquement tous les capteurs synthétiques sur la planète.

Détecteurs chimiques fongiques

“La chose évidente à faire maintenant, une fois que nous avons ce système plus contrôlé, est d’explorer les expositions chimiques et biologiques. Les organismes vivants peuvent amplifier ces signaux beaucoup mieux que les systèmes synthétiques détectant des quantités de produits chimiques très minimes,” déclare Shepherd. Il précise que l’utilisation de champignons comme détecteurs chimiques serait beaucoup plus difficile, car cela impliquerait de faire correspondre l’activité électrique enregistrée chez les champignons avec leur exposition à un large catalogue de stimuli chimiques comme l’acidité de l’environnement ou la présence de composés chimiques spécifiques tels que le cyanure.

La manière la plus probable d’y parvenir consistera à enregistrer de grands ensembles de données de signaux électriques fongiques émis en réponse à chaque exposition, à les annoter, puis à former des modèles d’IA pour interpréter le langage fongique. Idéalement, il serait possible de déterminer “ce motif électrique signifie que le sol est légèrement trop acide”.

“Le champignon interagit avec son environnement et nous devons juste apprendre ce que signifient tous les signaux. Comment le signal apparaît lorsqu’il rencontre quelque chose qu’il aime et comment il se manifeste lorsqu’il déteste quelque chose,” explique Shepherd. De nombreuses choses qui tuent des champignons tuent également des plantes, ajoute-t-il, ce qui rend les robots biohybrides fongiques potentiellement utiles en agriculture.

“Nous voyons ces systèmes comme des points de connexion, mesurant la santé des plantes pour éviter de sur-fertilise les champs. Imaginez un robot quadrupède avec ses pieds chargés de mycélium, détectant localement alors qu’il traverse l’environnement. Ou un mycélium cultivé à travers tout un champ et un robot simplement enfonçant des électrodes dans cet environnement riche en mycélium pour s’y connecter,” explique Shepherd. Le seul problème est que les champignons, comme tous les êtres vivants, finissent par mourir. Mais l’équipe voit également des solutions à ce problème.

“Nous avons la capacité de réinjecter des spores et des nutriments pour repoussez sur l’ancien mycélium, et cela va être vraiment intéressant. La vie, la mort et la renaissance de nos robots,” affirme Shepherd.

Science Robotics, 2024. DOI : 10.1126/scirobotics.adk8019

Cette recherche soulève d’importantes questions sur l’avenir de la biotechnologie et de l’intelligence artificielle. En tant que journaliste, je suis fasciné par les ramifications de ces découvertes. Si les champignons peuvent effectivement jouer un rôle central dans la détection des produits chimiques et la surveillance des sols en agriculture, cela pourrait transformer notre approche de la durabilité et de la gestion des ressources. Il sera intéressant de suivre l’évolution de ces technologies et leur intégration potentielle dans notre quotidien.