Compl�ments du livre
"Pour un principe mat�rialiste fort"

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La morphogen�se artificielle et la th�orie constructale

L'art de la morphogen�se artificielle int�resse principalement l'ing�nierie, c'est-�-dire la conception de syst�mes technologiques aussi efficaces que possible. On con�oit bien en effet que si la nature a d�couvert le secret de la r�alisation de formes et de syst�mes parfaits, il serait dommage de ne pas s'inspirer d'elle.

Mais le monde naturel est-il parfait ? Il est clair que cette question n'a pas de sens. Sauf � faire appel � des th�ories id�alistes selon laquelle non seulement l'univers est parfait puisqu'il a r�ussi � survivre jusqu'� pr�sent, mais aussi parce qu'il est capable d'auto-correction pour maintenir sa perfection face � des perturbations ext�rieures. On reconna�t l� l'hypoth�se dite Ga�a, selon laquelle l'�cosyst�me terrestre pourrait maintenir son �quilibre (ou hom�ostasie) en produisant spontan�ment les mesures correctives aux multiples agressions dont il est l'objet. Une autre version de l'univers parfait pourrait �tre trouv�e dans l'hypoth�se anthropique selon laquelle tous les param�tres caract�risant l'univers pr�cis dans lequel nous sommes sont conformes aux exigences de l'apparition de la vie et de l'intelligence. Il s'agirait au regard de nos propres int�r�ts d'une forme de perfection, mais l'ennui est qu'elle n'est pas finalis�e par l'objectif de produire la vie et l'intelligence. Celles-ci, dans l'hypoth�se anthropique, sont les cons�quences a posteriori de l'apparition d'un certain type d'univers parmi l'infinit� des univers possibles. Rien ne garantit que ces param�tres favorables se maintiendront � l'avenir.

Si donc on ne saurait affirmer que la nature produit des formes parfaites, peut-on dire qu'elle produit des formes optimis�es ? En ing�nierie, nous l'avons dit, l'optimisation consiste � rechercher par essais et erreurs (ou par des processus de simulation num�rique) les meilleures cat�gories de solutions possibles � des contraintes pr�d�finies. Elle r�pond donc � une finalit� fix�e par l'ing�nieur. Dans la nature, par d�finition, tout ce qui existe dans le monde physique et biologique est l� parce qu'il s'est r�v�l� viable, adapt� � la survie. Il s'agit donc d'une forme d'optimisation qui peut fournir des r�f�rences int�ressantes � l'ing�nieur recherchant des solutions inspir�es de celles de la nature. Mais ce type d'optimisation n'est guid� par aucun objectif fix� a priori par qui que ce soit. Les syst�mes vivants que nous pouvons �tudier aujourd'hui, bien qu'ayant surv�cu � d'innombrables ph�nom�nes s�lectifs, peuvent pr�senter des d�fauts tels que l'ing�nierie n'aurait aucun int�r�t � les copier. De plus, nous l'avons dit, ils ont �volu� dans des espaces fortement contraints par des lois physiques bien d�finies. Si l'homme veut s'affranchir de celles-ci, il devra rechercher des modes d'optimisation originaux.

Si la nature ne cr�e pas de formes particuli�rement parfaites, et ne cr�e que des formes optimis�es pour faire face aux conditions du pass�, quel est l'int�r�t de s'interroger sur les processus de la morphogen�se naturelle, c'est-�-dire de la cr�ation des formes dans la nature ? Le premier de ces int�r�ts est relatif au simple d�veloppement des connaissances. Nous avons vu pr�c�demment que les hommes ont toujours cherch� � comprendre pourquoi le monde �tait fait de tant de formes � la fois diff�rentes et riches en r�gularit�. La question reste plus que jamais pos�e aujourd'hui, alors que le progr�s des sciences fondamentales comme des technologies va permettre le d�veloppement d'entit�s artificielles dont les propri�t�s et formes plus ou moins complexes ne seront pas fix�es n�cessairement a priori par les hommes (ni par la nature) mais pourront �merger � partir de la combinaison d'�l�ments simples mis en œuvre par une science comme la robotique.

Cependant, la compr�hension de la morphogen�se naturelle pr�sente aussi un grand nombre d'avantages pratiques. Nous avons vu que la gen�se des formes physiques ou vivantes ob�it � des lois g�n�rales, telles que la recherche du meilleur rendement �nerg�tique, dont nul ing�nieur n'aurait la pr�tention de s'affranchir. M�me si on ne veut pas copier servilement les formes naturelles, il est indispensable de conna�tre ces lois, et la fa�on dont elles contraignent le d�veloppement des formes naturelles, afin d'en tirer le meilleur parti.

Existe-t-il des m�thodes pour imiter de la fa�on la plus efficace que possible les formes optimis�es de la nature ? Une m�thode empirique aussi vieille que l'humanit� consiste � faire ce que l'on pourrait appeler une copie analogique globale du syst�me naturel. On prend ce dernier comme un tout dont on ne cherche pas � analyser l'organisation de d�tail (le r�le des divers �l�ments les uns par rapport aux autres). A partir de ce mod�le, on essaye de construire un objet dont les apparences soient aussi proches que possible de celles du mod�le. Reste ensuite � tester le nouveau syst�me, afin de v�rifier si ses fonctionnalit�s sont proches ou non de celles du syst�me naturel. Dans les cas simples (par exemple le dessin d'une arme copiant la forme d'une d�fense d'animal) le r�sultat est satisfaisant. Dans les cas plus complexes, comme l'imitation d'une aile d'oiseau, les �checs sont la r�gle. L'inventeur empirique doit alors s'engager dans un long processus d'essais et d'erreurs afin de rapprocher l'artefact du mod�le. Le plus souvent, il n'y arrive pas et renonce � son projet.

Une m�thode plus sophistiqu�e consiste � d�composer le mod�le en �l�ments dont on �tudie les r�les respectifs dans l'obtention de la performance finale. On appelle cela en ing�nierie l'"analyse par �l�ments finis" ou "finite-element analysis". On construit ensuite l'artefact en conjuguant des �l�ments artificiels aussi proches que possible, anatomiquement et fonctionnellement, des �l�ments naturels. L'apparence globale de l'artefact peut alors �tre assez diff�rente de celle du mod�le, mais peu importe si le syst�me donne satisfaction. Par la suite, le r�sultat peut �tre optimis� de fa�on continue, en faisant appel � l'analyse et � la conception assist�es par ordinateur. C'est un processus de ce type qui a �t� suivi dans la conception des ailes des avions. On sait qu'aujourd'hui une analyse plus fine des ailes des oiseaux montre aux ing�nieurs qu'ils pourraient d�sormais fabriquer des ailes prenant des formes et des consistances diff�rentes selon les configurations de vol et les missions.

Nous verrons dans le chapitre 5 qu'aujourd'hui, les m�thodes de la programmation et de la robotique �volutionnaires sont aussi utilis�es pour obtenir des produits finis optimis�s, sans partir d'un cahier des charges d'optimisation fix� � l'avance dans tous ses d�tails. On laisse les "parents", composants mat�riels et logiciels, entrer en comp�tition darwinienne � l'int�rieur de contraintes fix�es d'une fa�on assez large, et on conserve les "descendants" qui paraissent les plus aptes � satisfaire ces contraintes. La responsabilit� de la conception est alors report�e tr�s largement sur l'intelligence artificielle.

Quel rapport existe-t-il entre ces nouvelles m�thodes de conception de formes artificielles optimis�es, et ce que Adrian Bejan (Sur Adrian Bejan, voir Wikipedia http://fr.wikipedia.org/wiki/Adrian_Bejan), dipl�m� du MIT et professeur d'ing�nierie m�canique � l'universit� Duke de Caroline du Nord, a nomm� la "th�orie constructale" dont il se pr�sente comme l'inventeur�? Rappelons les grandes lignes de cette derni�re.

Cette th�orie s'inscrit dans la ligne des recherches relatives � la morphogen�se : pourquoi y a-t-il des formes (ou processus formalis�s) dans la nature plut�t que rien ? Pourquoi ces formes semblent-elles se d�velopper selon des algorithmes comparables sinon communs alors qu'elles apparaissent dans des domaines tr�s diff�rents : le min�ral, le vivant, l’organisation et le fonctionnement des soci�t�s ?

La th�orie constructale repose, comme beaucoup de th�ories modernes, sur une d�finition de la complexit� devenue quasi oblig�e : la complexit�, dans la nature, na�t de la combinaison de processus �l�mentaires. Elle est dite ascendante ou �mergente en ce sens que les r�sultats de cette combinaison ne peuvent �tre d�duits de l'analyse des processus �l�mentaires g�n�rateurs. Le tout est plus que les parties, et survient de fa�on impr�visible. Cela para�t une banalit� de le dire, mais beaucoup de gens s'imaginent encore que la complexit� est descendante, c'est-�-dire qu'elle est donn�e d'embl�e et peut �tre r�duite en �l�ments simples par l'analyse. Bejan pr�sente � cet �gard la th�orie fractale comme contribuant (malgr� les m�rites qu'elle poss�de par ailleurs) � ce contresens. Pour la th�orie fractale, les formes s'engendrent par fragmentation en r�p�tant un dessin identique � chaque niveau descendant ou montant. Elles le font en application d'un algorithme constant, que l'on peut en principe analyser et r�utiliser pour obtenir des r�sultats identiques. Il suffit de conna�tre la forme caract�risant un niveau pour en d�duire toutes les formes que l'on trouvera aux niveaux sup�rieurs ou inf�rieurs. Or cela n'est vrai ni dans la nature ni en algorithmique informatique (dans le domaine des automates cellulaires (Sur les automates cellulaires, voir chapitre 4, encadr� final) souvent �voqu� en mati�re de fractals). La combinaison des r�gles simples fait toujours appara�tre, � un moment ou un autre, une complexit� inattendue et non explicable par une d�marche r�ductionniste. Ainsi les formes adopt�es par les v�g�taux dans la nature ne r�sultent pas uniquement de la reproduction, sur des �chelles de plus en plus larges, d’une forme primitive comportant l’organe assurant la photosynth�se (la feuille), l’organe permettant la capture des �l�ments nutritifs du sol (la racine) et les organes de transfert et de liaison (la tige). Chaque esp�ce et au sein de l’esp�ce chaque v�g�tal particulier d�veloppent des formes contraintes par la nature du sol, le climat et la comp�tition avec d’autres esp�ces.

Ainsi pr�sent�e, la th�orie constructale n'a rien de tr�s original. Elle est � la source de toutes les d�marches dites pr�cis�ment constructibles, utilis�es notamment en Intelligence Artificielle (Sur l’Intelligence Artificielle, voir chapitre 5). Ce qui est int�ressant est que Adrian Bejan propose de l'appliquer � la construction de syst�mes artificiels ou artefacts optimis�s, s'inspirant des processus d'optimisation des formes � l'œuvre dans la morphogen�se naturelle que nous avons pr�sent�e plus haut. C'est en effet d'abord pour r�soudre des probl�mes d'ing�nierie qu'Adrian Bejan propose sa th�orie constructale. Comment aboutir facilement � des solutions aussi optimis�es (certains disent parfaites, mais le mot nous l'avons vu est excessif) que celles existant g�n�ralement dans la nature ?

Les �tudes en plein d�veloppement relatives � la morphogen�se naturelle paraissent montrer que la construction de formes dans la nature r�sulte de l'action de lois physiques et chimiques, analys�es depuis bient�t deux si�cles par les sciences du macroscopique (On n'a pas besoin ici de faire appel aux processus quantiques, puisque le niveau d'approximation permis par la physique classique suffit largement � r�soudre les probl�mes globaux que pose la compr�hension de la morphogen�se naturelle). Ces lois sont en tr�s grand nombre : lois de la diffusion gazeuse, lois de la dilatation en fonction de la temp�rature, lois de l'�coulement des fluides, lois des frottements, etc. C'est une chance pour l'ing�nieur, puisque le plus souvent il n'a pas besoin d'inventer des algorithmes sp�cifiques. Les formules math�matiques dont il a besoin existent d�j� pour l'essentiel et peuvent �tre r�utilis�es sans probl�me, tant du moins que l'on restera au niveau d'approximation dont peut se satisfaire l'industrie d'aujourd'hui. Si on veut plus de pr�cision, il sera possible de partir de l'existant afin d'affiner les �quations.

Peut-on trouver un principe commun derri�re toutes ces lois ? La question n'est pas sans int�r�t, pratique mais surtout th�orique. L'existence d'un tel principe commun nous permettrait de comprendre le fait, d�j� signal� ci-dessus, que la morphogen�se naturelle ne g�n�re pas n'importe quelles formes. M�me si celles-ci paraissent incroyablement diverses, on sait bien qu'en physique comme en biologie, l'�volution, fut-elle darwinienne, s'exerce dans des fourchettes �troites. On ne verra pas, par exemple, les vagues de la mer ou les dunes de sable d�passer une hauteur limite, quelle que soit la force du vent. Et ceci dans tous les domaines. Pourquoi ? Si nous admettons que les syst�mes �tudi�s s'inscrivent dans les principes de la thermodynamique et subissent par cons�quent la loi de l'entropie croissante, il faut que pour conserver ou accro�tre leur "ordre", ils r�alisent des d�penses d'�nergie en puisant dans des sources ext�rieures. Dans ce cas, les syst�mes les plus aptes � survivre, qu'ils soient physiques ou biologiques, seront ceux qui consommeront le moins d'�nergie - ou plus exactement ceux dont la consommation d'�nergie sera parfaitement ajust�e aux exigences de leurs performances. En d'autres termes, les syst�mes naturels, ayant surv�cu � des milliards d'ann�es d'�volution, sont ceux qui sont optimis�s au regard de la consommation d'�nergie (ou de la consommation de ressources rares quand l'�nergie dont ils ont besoin n'est pas obtenue directement). On peut montrer que c'est ce qui se produit en g�n�ral dans la nature. Ce sera l� le principe commun, ou un des principes communs, que nous recherchions. Ainsi en retire-t-on l'impression fausse que la nature est parfaite.

Dans ces conditions, si l'ing�nieur veut r�aliser un syst�me artificiel qui soit aussi efficace qu'un syst�me naturel, notamment en termes de consommation d'�nergie, il lui suffit en principe de copier le syst�me naturel. On analyse celui-ci dans ses d�tails et on reconstruit un syst�me artificiel en accumulant les d�tails favorables � l'obtention d'une solution optimis�e. Mais nous avons vu que cette approche globale (ou descendante) n'aboutissait g�n�ralement pas, car les syst�mes naturels sont trop vari�s et d�taill�s pour permettre une analyse. Il faut proc�der autrement.

C'est ce qu'Adrian Bejan propose de faire de fa�on syst�matique, en utilisant sa m�thode constructale. Si l'ing�nieur veut r�aliser un syst�me complexe optimis�, il d�coupera ce syst�me en unit�s aussi petites que possible, pour lesquelles il deviendra alors relativement facile de d�finir les conditions de fonctionnement optimis�. On retrouve l'analyse par �l�ments finis �voqu�e plus haut. La forme �l�mentaire optimale �tant trouv�e, on reliera plusieurs de ces unit�s en r�seau dont les lois physiques, l� encore, permettent de d�finir la forme optimale. De proche en proche, en remontant par ce proc�d� les �chelles une � une, on arrive � une forme globale optimale par rapport aux contraintes et objectifs d�sir�s. Cette forme optimis�e est donc construite de fa�on ascendante, compte tenu des caract�res propres des unit�s qui la composent, elles-m�mes optimis�es chacune � son niveau. Il est �vident que sans l'ordinateur, cet assemblage de formes optimis�es destin� � �tre lui-m�me globalement optimis� ne serait pas possible

Adrian Bejan et ceux qui s'inspirent de sa th�orie donnent de nombreux exemples de l'int�r�t de la m�thode constructale. Tout laisse penser qu'elle se r�pandra de plus en plus, et sera appliqu�e � tous les probl�mes d'ing�nierie et de design faisant appel aux lois de la physique ordinaire. Elle pourra servir aussi dans le domaine de la construction de syst�mes d'intelligence artificielle ou de vie artificielle optimis�s au regard de contraintes non physiques (rapports performance-co�ts).

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