Comment Atlas tient debout : il prédit son propre futur, des centaines de fois par seconde

Regardez un robot Atlas de Boston Dynamics faire un salto arrière, trottiner sur un terrain accidenté ou encaisser une bourrade et se redresser en titubant : la première chose qu'on ressent, c'est un léger malaise. Il bouge comme une chose qui veut rester debout. Sauf qu'il n'y a aucune volonté là-dedans, et aucun gyroscope secret qui ferait le boulot. Ce qui maintient Atlas sur ses jambes est plus étrange et plus beau que ça : des centaines de fois par seconde, le robot s'arrête, imagine son propre futur immédiat, et agit pour éviter la version de ce futur où il s'écroule.

Tenir debout, c'est une chute permanente que l'on rattrape

Voici la vérité dérangeante quand on est grand et bipède : c'est intrinsèquement instable. Un humain debout — ou un robot debout — n'est en gros qu'une tour de masse en équilibre sur deux petites surfaces de contact, avec le plus lourd tout en haut. Les ingénieurs modélisent ça avec un objet trompeusement simple, le pendule inversé : un poids au bout d'une tige, articulée à sa base, qui ne demande qu'une chose, basculer.

Un pendule normal pend et finit par s'immobiliser. Un pendule inversé, c'est l'inverse : perché au-dessus de son pivot, il tombe à l'instant précis où l'on cesse de le corriger. Vous connaissez déjà ça dans votre propre corps. Tenez-vous immobile et vous n'êtes jamais vraiment immobile : vous oscillez en minuscules cercles, vos chevilles et vos hanches déclenchant en continu des micro-corrections que vous ne remarquez jamais. L'équilibre n'est pas un état que l'on atteint. C'est une chute que l'on n'arrête pas d'interrompre.

Le robot qui vit quelques millisecondes dans le futur

La réponse d'Atlas à cette chute perpétuelle s'appelle la commande prédictive, ou MPC (Model Predictive Control). Le nom paraît austère ; l'idée est folle. Au cœur de la bête, Atlas porte un modèle de lui-même — un morceau de physique mathématisée qui sait à peu près comment son corps réagira à n'importe quelle action. Et il fait tourner ce modèle en avant dans le temps.

Boston Dynamics le dit sans détour : le contrôleur « utilise une description de la façon dont les actions du robot affecteront son état pour prédire comment cet état va évoluer sur une courte période ». Autrement dit, avant de bouger une articulation, Atlas se demande : si j'applique ces forces maintenant, où sera mon corps dans quelques millisecondes ? Puis il explore une foule d'actions possibles, choisit celle qui le maintient le mieux en équilibre et dans sa tâche, en exécute une fraction — et jette aussitôt le plan pour en recalculer un tout neuf. Prédire, agir, jeter. Prédire, agir, jeter. Des centaines de fois par seconde.

C'est, très littéralement, une machine qui survit en hallucinant sans cesse son propre futur immédiat, pour s'écarter des mauvais.

Il pense avec tout son corps en même temps

Les premières versions d'Atlas, celles du parkour et de la danse, gardaient un modèle simple, suivant surtout leur centre de masse global. Le nouvel Atlas électrique voit beaucoup plus grand. Selon Boston Dynamics, son modèle raisonne désormais sur « le mouvement de chaque articulation du robot, la quantité de mouvement de chaque segment du robot, et les forces que le robot applique sur un objet ».

Cette expression — contrôle du corps entier — c'est le superpouvoir discret. Atlas ne traite pas ses bras, ses jambes et son tronc comme des services séparés. Il les traite comme un seul système coordonné partageant un unique objectif. Du coup, quand quelque chose dérape, chaque membre peut servir à rattraper le coup. Un humain qui glisse sur le verglas tend un bras en moulinant pour ne pas tomber ; Atlas fait le même calcul, exprès, avec fluidité, balançant un bras ou décalant son tronc pour redistribuer son élan et reconquérir son équilibre. Dans une simulation de Boston Dynamics, Atlas tient en équilibre sur un seul pied tout en se faisant percuter par une balle à 20 mètres par seconde — environ 70 km/h — et se sert en réalité de l'inertie de la perche qu'il porte pour aider à retrouver son équilibre, transformant la charge qu'il tient en partie du rétablissement.

Sentir un sol qu'il ne voit pas

Une prédiction ne vaut que par les données sensorielles qui la nourrissent — et c'est là qu'Atlas devient franchement troublant. Son modèle du « où suis-je à l'instant ? » est tissé à partir de plusieurs flux de mesures bouclés très serré. Une centrale inertielle (un assemblage d'accéléromètres et de gyroscopes) indique où est le haut et comment le corps accélère, exactement le rôle d'organe de l'équilibre que joue votre oreille interne. Des codeurs d'articulation rapportent l'angle précis de chaque membre. Et des capteurs de force lui permettent de sentir la poussée du sol contre ses pieds — la pression, la répartition du poids, l'instant exact du contact.

Ces signaux sont bruités et parfois contradictoires : Atlas les fusionne donc à l'aide de filtres (le grand classique étant le filtre de Kalman) en une seule estimation propre et la plus probable de son état réel. C'est cette image fusionnée qui alimente le modèle prédictif, boucle après boucle. Les boucles de contrôle tournent à l'échelle de la sous-milliseconde — c'est ainsi que le robot ajuste les couples de ses articulations assez vite pour rattraper un faux pas qui aurait mis un humain à plat ventre avant même qu'il ait conscience d'avoir glissé.

Pourquoi j'adore celle-ci

Il y a un joli petit nœud philosophique caché là-dedans. On a tendance à imaginer l'équilibre comme une chose figée — on l'a, ou on ne l'a pas. Atlas montre qu'il n'en est rien. C'est un verbe, pas un nom : une dispute incessante et ultra-rapide entre la physique et l'intention, regagnée à neuf des centaines de fois par seconde.

Et le plus profond, c'est à quel point cela se révèle humain. Vous ne tenez pas debout parce que vous êtes stable. Vous tenez debout parce qu'un vieux circuit dans votre tronc cérébral prédit lui aussi votre futur immédiat et rattrape discrètement chaque chute avant qu'elle ne commence — sauf qu'on ne vous prévient jamais. Atlas fait le même tour de magie à voix haute, en équations, sur un squelette d'acier. La prochaine fois que vous vous lèverez de votre chaise sans y penser une seconde, souvenez-vous : vous aussi, vous êtes une tour de masse qui devrait être en train de tomber, et qui s'en dissuade de justesse, en continu.