Utiliser la recherche en robotique pour améliorer la sécurité des plongeurs
Connue pour son travail de développement d'algorithmes et de méthodes sophistiquées pour gérer et coordonner des systèmes complexes, Silvia Ferrari a mis son expertise au service de l'intégration de la technologie de la plongée sous-marine aux systèmes robotiques.
Ses recherches portent sur la robotique sous-marine, les véhicules sous-marins autonomes (AUV) et les robots conçus pour les environnements aquatiques. En intégrant des technologies liées à la plongée dans ces systèmes robotiques, Ferrari fait progresser les capacités des AUV et apporte des contributions notables à la robotique et à l’exploration sous-marine.
Ferrari est directrice du Laboratoire des Systèmes Intelligents et de Contrôle (LISC), doyenne associée à la recherche en ingénierie inter-campus et professeure titulaire de la chaire John Brancaccio en génie mécanique et aérospatial à l’Université Cornell.
Parlez-nous de votre poste et de ce qui vous a attiré vers cette fonction.
Je suis professeure de génie mécanique et aérospatial à l'université Cornell et je me concentre sur les systèmes intelligents, l'intelligence artificielle (IA), la robotique et la théorie du contrôle. J'ai obtenu mon doctorat en génie aérospatial à l'université de Princeton, où j'ai étudié le guidage, le contrôle et la navigation des avions. Au fil du temps, mes travaux se sont étendus aux réseaux de capteurs, aux véhicules autonomes et à la perception active, influençant des projets tels que les dispositifs d'assistance pour les plongeurs sous-marins et les interactions homme-robot.
Pendant mes études de premier cycle, mon directeur de recherche m’a fait découvrir la théorie du contrôle optimal. La vaste gamme d’applications m’a fascinée et m’a conduite à faire un doctorat dans ce domaine. Le contrôle optimal était à l’origine populaire en ingénierie aérospatiale et chimique, mais il a rapidement trouvé des applications dans d’autres domaines.
Mon directeur de recherche m’a également suggéré d’explorer les réseaux neuronaux artificiels, ce qui m’a permis de découvrir l’intelligence artificielle à l’époque où les premiers réseaux neuronaux faisaient leur apparition. J’ai travaillé sur le contrôle du trafic aérien reconfigurable. En tant que professeure, j’ai ensuite orienté mes recherches vers la détection, la perception et des domaines comme la robotique et les systèmes autonomes, où de nombreuses nouvelles applications ont vu le jour depuis.
Comment intégrez-vous la plongée sous-marine dans vos recherches ?
Several years ago my team started working on various games, including computer and tabletop games such as ClueIl y a plusieurs années, mon équipe a commencé à travailler sur divers jeux, y compris des jeux informatiques et de société comme Clue. Notre travail a évolué pour inclure les sports car nous avons constaté qu’ils offraient un excellent cadre pour étudier des problèmes aux règles et objectifs bien définis, ce qui nous a aidés à développer des systèmes intelligents et adaptatifs. Je suis ainsi devenue reconnue pour mes recherches sur l’intelligence artificielle appliquée aux sports.
À la même période, certains collègues ont commencé à explorer des applications pour les plongeurs de la Marine. Ils m'ont invitée à rejoindre leur projet, qui correspondait parfaitement à mon expertise en perception et en adaptation à des environnements complexes. Mon travail s’est alors orienté vers la détection sous-marine et l’autonomie, menant à des recherches sur des robots capables d’assister les plongeurs afin d’améliorer leur sécurité et de les aider dans des tâches sous-marines complexes.
La perception joue un rôle crucial car les environnements sous-marins posent des défis majeurs, notamment une faible visibilité qui complique la vision par ordinateur et la perception en général. Ces difficultés nous ont fait réaliser que les interactions humain-robot sous l’eau sont particulièrement complexes en raison des contraintes de communication et de conditions difficiles. Avec mon groupe de recherche au LISC — Jia Guo, PhD ; l’étudiant Sushrut Surve ; les étudiants en master Jovan Menez et Yiting (Jerry) Jin ; et l’expert en plongée Daniele Fragiacomo — nous avons développé un modèle hydrodynamique ainsi qu’un environnement de simulation sous-marin en laboratoire pour tester des robots et des scénarios complexes sans nécessiter de plongées réelles. Nous travaillons actuellement sur un avatar de plongeur afin d’améliorer nos recherches sur la collaboration humain-robot sous-marine.
Parlez-nous davantage du développement de l’avatar.
L'équipe a travaillé au développement d'une combinaison étanche spéciale équipée d'un ensemble de capteurs que nous appelons la combinaison Movella Xsens MVN Link™. Les capteurs ont été initialement conçus pour être utilisés dans des environnements de laboratoire secs, où ils suivent les mouvements du corps pour créer des avatars virtuels précis. Ils fonctionnent en capturant la forme 3D, la pose et la position d'une personne dans un environnement de laboratoire. Ces capteurs ne sont pas adaptés à une utilisation sous l'eau car, initialement, ils dépendaient d'une communication sans fil qui ne fonctionnait pas bien dans l'eau en raison d'un bruit de signal élevé.
Nous avons rencontré des problèmes même lorsque nous sommes passés aux capteurs filaires, car les algorithmes n'étaient pas conçus pour les conditions sous-marines. Pour résoudre ce problème, nous avons créé une version sous-marine de la localisation et de la cartographie simultanées (SLAM) intégrée à ces capteurs. Cette approche nous permet de mesurer avec précision la position et les mouvements d'un plongeur pendant qu'il nage. Nous avons ensuite combiné cela avec des modèles mathématiques de nos collaborateurs pour développer un modèle physique de la nage humaine.
Quels autres défis avez-vous dû relever, en dehors des facteurs environnementaux, lors de l'intégration des capteurs sous-marins ?
Le plus grand défi consiste à faire en sorte que les robots interprètent l'état, les émotions et la condition physiologique d'un plongeur. Les plongeurs subissent des stress de diverses origines : physiologique, psychologique, environnemental et cognitif. Nous travaillons en étroite collaboration avec des plongeurs pour comprendre ces facteurs de stress et nous collaborons avec d'autres groupes pour développer des capteurs portables. Notre objectif est d'intégrer ces capteurs aux données du robot, tels que le sonar, afin de mieux comprendre l'état du plongeur, ce qui est crucial pour la prise de décision et l'efficacité de la mission.
Pour les tests pratiques, notre équipe de Cornell utilise une piscine pour les expériences avec des plongeurs. Les tests en piscine étant coûteux et longs, nous développons également un environnement de réalité virtuelle pour simuler les conditions sous-marines. Cette configuration virtuelle nous aidera à tester des technologies et des scénarios complexes, tels que la faible visibilité ou les courants océaniques, sans mettre les plongeurs en danger. Nous travaillons avec d'autres pour créer des environnements sous-marins réalistes et intégrer virtuellement des capteurs portables, ce qui nous permet de tester et d'affiner nos approches en toute sécurité et efficacité.
Vous travaillez également avec des véhicules sous-marins, principalement à des fins d'exploration. Parlez-nous de cela.
Au fil des ans, j'ai beaucoup travaillé avec l'Office of Naval Research et diverses bases navales sur l'autonomie sous-marine. Nos travaux ont principalement porté sur les véhicules sous-marins utilisés pour la lutte anti-sous-marine, ce qui implique beaucoup de détection et d'adaptation aux courants océaniques. Nous avons dû apprendre à estimer et à utiliser ces courants pour la navigation, ce qui est également pertinent pour les plongeurs sous-marins, car les courants les affectent également.
J'ai également travaillé sur de petits véhicules destinés à détecter et classer les explosifs sous-marins, ce qui est important pour la sécurité nationale. Ces véhicules, tels que le REMUS 100, sont équipés de capteurs essentiels et le traitement des données provenant de ces capteurs est primordial. Cette expertise est également applicable à la plongée sous-marine car certains plongeurs effectuent des tâches sous-marines similaires.
Sur quels autres projets travaillez-vous ?
Je suis très enthousiaste à l'idée d'utiliser nos outils pour analyser les accidents, un peu comme le fait la communauté aérospatiale pour reconstituer les accidents d'avion. Si un plongeur sous-marin était équipé de capteurs avancés et que quelque chose tournait mal, les données recueillies pourraient nous aider à reconstituer l'incident. En combinant ces données avec des simulations et en les testant avec un plongeur, nous pouvons mieux comprendre ce qui n'a pas fonctionné et améliorer la sécurité.
Je discute avec l'Office of Naval Research de la manière d'appliquer ces technologies pour soutenir les plongeurs de la Marine et les Marines qui sont confrontés à des niveaux de stress élevés. L'objectif est d'utiliser ces dispositifs pour la formation et pour mieux comprendre l'impact du stress sur leurs états cognitifs et psychologiques.
Nous étudions également les outils de réalité virtuelle pour étudier les plongeurs et les conditions médicales liées à la plongée en laboratoire. Ces recherches pourraient à terme s'étendre à d'autres environnements difficiles, tels que les hautes altitudes ou les chambres hyperbares. Nous collaborons avec des équipes spécialisées en médecine sous-marine.
De plus, nous travaillons au développement de capteurs sous-marins adaptés à ces conditions spécifiques. Bien que ces capteurs soient encore en phase de développement, leurs avancées pourraient profiter à un large éventail de domaines, y compris ceux qui incluent d'autres conditions extrêmes auxquelles sont confrontés les athlètes et le personnel militaire.
En savoir plus
Regardez Silvia Ferrari donner une conférence TEDx dans cette vidéo.
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