Dynamiques collectives des systèmes vivants et artificiels

Nous développons une prospective sur les matériaux comme ressources critiques pour les technologies de calcul et de production d’énergie. Les bases matérielles des systèmes technologiques sont les contraintes les plus primordiales pour assurer une transition vers la durabilité. Les technologies actuelles les plus importantes pour la production d’énergie utilisent des matériaux non renouvelables. Ces technologies sont donc non durables y compris le photovoltaïque et l’éolien. Il s’agit d’établir la criticité des éléments chimiques utilisés et l’échelle de temps de leur épuisement. Ensuite, il s’agit d’évaluer les possibilités de substitution des matériaux non renouvelables mis en oeuvre par des renouvelables.

En particulier nous nous focalisons sur les matériaux semi-conducteurs qui sont indispensables pour la production d’électricité photovoltaïque, les éclairages LED et les technologies de calculs.

Dans ce cadre nous développons des modèles prospectifs pour l’épuisement des ressources minérales basés sur des données géologiques et économiques. Des modèles mathématiques de type systèmes dynamiques sont développés sur la base des données géologiques. Les modèles économiques, typiquement ceux utilisés par le GIEC, sont utilisés pour extrapoler la courbe de demande des matériaux en fonction de l’activité économique à courte et longue durée. Il s’agit ensuite de coupler les deux types de modèles pour établir des scénarios d’usage des ressources non renouvelables au cours du 21ème siècle.

Nous étudions également la durabilité des technologies de calcul (information) et de télécommunications (TIC) du point de vue de leur efficacité énergétique mais aussi du point de vue des matériaux utilisés. De ces points de vue, il ressort que la durabilité de ces technologies pose problème. De même que précédemment il s’agit de développer des modèles prospectifs sur l’épuisement des ressources nécessaires à la mise en oeuvre des TIC. Par conséquent, il s’agit de développer des technologies de substitutions comme par exemple le calcul quantique ou neuromorphique. Dans ce cadre, nous développons des études sur le fonctionnement du calcul neuromophique, en particulier sur leur efficacité énergétique. Ensuite nous étudions la formulation de nouvelles architectures neuromorphiques qui pourraient être efficace à basse puissance énergétique, à faible fréquence et sur des matériaux renouvelables, par exemple biomimétiques ou biosourcés.

En matière de substitution technologique, les matériaux d’origines biologiques, ou à la chimie semblable, semblent être à même d’assurer une durabilité sur le long terme. Il est donc important d’étudier la réalisation de systèmes bio-hybrides, biomimétiques et biosourcés.

C’est pourquoi nous développons des recherches à l’interface entre systèmes complexes, biologie et robotique. Nous développons une recherche fondamentale sur les dynamiques collectives dans les systèmes bio-hybrides composés d’animaux et de robots. La première partie des travaux concerne la compréhension des propriétés collectives du vivant dont ses propriétés d’auto-organisation et d’émergence d’intelligence collective. Sur la base de cette compréhension, nous développons des technologies d’intelligence artificielle et de robotique capable d’interagir et de contrôler des systèmes vivants par formation de systèmes bio-hybrides. Les systèmes vivants sont les premières sources renouvelables de matériaux et de procédés technologiques indispensables à l’humanité. La mise en oeuvre du vivant se fait à toutes les échelles : des systèmes cellulaires aux écosystèmes en passant par les populations d’organismes. Il est donc impératif de comprendre comment interagir, contrôler et optimiser ces systèmes.

Nous réalisons des expériences et des modèles pour comprendre l’émergence des comportements sociaux dans des espèces animales sociales. D’abord, il s’agit de comprendre quelles sont les informations utilisées par les individus au sein d’un groupe. Ensuite il s’agit d’établir comment ces informations sont traitées et utilisées pour faire émerger les comportements collectifs observés. Ces recherches sont à l’interface entre l’éthologie, les neurosciences et l’intelligence artificielle. Ce qui présente des recoupements de recherche avec les questions de calcul neuromorphique discutées ci-dessus.

Cette thématique permet aussi de développer un savoir-faire en modélisation des systèmes complexes, à la fois du point de vue de la physique et de l’intelligence artificielle, qui est également utile pour l’interdisciplinarité avec les sciences humaines et sociales.

Avec Petros Chatzimpiros (voir section Territoire et Société), nous développons un axe d’étude des agrosystèmes sur la longue durée. Nous visons à explorer les propriétés des systèmes agro-alimentaires dans l’espace et dans le temps et chercher de possibles invariants structurels. Nous travaillons sur une période de deux siècles (~1880-2017) prenant la France comme cas de référence. Un premier grand objectif consiste à comprendre les facteurs qui sous-tendent les évolutions de long terme et construire des modèles mathématiques prédictifs pour la gouvernance des transitions de développement soutenable. Un autre objectif majeur consiste à établir des liens mathématiques entre régimes métaboliques des systèmes agro-alimentaires, climat, ressources technologiques déployées et population urbaine soutenable.

Une partie de cette étude consiste à analyser du point de vue de la théorie des réseaux complexes les flux internationaux de produits agricoles. Cette étude se base sur les données de la FAO et considère chaque pays comme un noeud et chaque flux de produits comme une arrête. L’analyse se fait au niveau mondial et régional (par exemple autour de la France). Les caractéristiques topologiques des réseaux sont évaluées et mise dans une perspective d’estimation de la résilience alimentaire des pays. L’évolution de la topologie du réseau mondial de céréales et de calories net est étudiée de 1986 à 2013. La topologie de ce réseau est caractérisée par une hétérogénéité dans la distribution des degrés des noeuds, c’est-à-dire qu’un petit nombre agissent comme des « hubs » alors qu’un grand nombre de pays sont peu intégrés dans le commerce. On constate qu’environ 70% des volumes commercialisés sont échangés par un réseau squelette (« backbone network »), constitué de liens qui sont établis depuis la première date d’étude. A ce sous réseau, des liens sont ajoutés de manière éphémère en fonction de la disponibilité des produits agricoles pour le commerce international, qui augmente l’insécurité alimentaire des pays qui en dépendent. Par la suite, il s’agira de développer des modèles de type systèmes dynamiques et complexes qui serviront à élaborer des scenarios pour l’évolution de l’agriculture au cours du 21ème siècle