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Milieux : interactions, interfaces, homogénéité, ruptures. C’est le sujet TIPE 2017-2018

TIPE ? Comme tous les ans, en lien avec ePrep,  l’ UPS pour les CGPE, Interstices et Pixees vous proposent autour des sciences du numérique, informatique et mathématiques


chambre anéchoïque, Inria Sophia © Inria / Photo C. Morel

Quels  sont les milieux dans lesquels les sciences du numérique apportent  des éléments sur les interactions ou les interfaces, que ce soit en matière d’homogénéité ou de rupture ? Et  puis, multi-disciplinaires par essence les sciences du numérique  contribuent aussi aux interactions ou aux interfaces au croisement de ces milieux.

Explorons ici, avec quelques scientifiques d’Inria, le sens de ces notions d’interactions, d’interfaces, d’homogénéité et de ruptures dans différents milieux liés à nos sciences du numérique.

La notion d’interface dans les milieux physiques
En science physique, le mot « milieu » fait référence à un milieu physique. Ainsi, une onde acoustique, élastique ou électromagnétique, se propage dans un milieu physique et interagit avec ce milieu. A ce dernier on associe un modèle comportemental qui joue un rôle prépondérant dans la caractérisation de la réponse du milieu traversé par l’onde. 

Un milieu peut être homogène, i.e. constitué d’un seul matériau, ou hétérogène lorsqu’il comporte plusieurs matériaux. Dans ce dernier cas, les interfaces entre matériaux peuvent-être le siège de phénomènes variés. Dans le cas d’une onde électromagnétique, une discontinuité de certaines composantes du champ électromagnétique survient à l’interface entre deux matériaux linéaires.

Aux échelles nanométriques, l’interface entre un matériau métallique et un matériau diélectrique peut être le support d’une onde appelée plasmon de surface dont la dynamique est notamment caractérisée par une exaltation localisée du champ électrique. Ce phénomène de résonance peut-être exploité, par exemple, pour concevoir un capteur biologique.

Stéphane Lantéri responsable de l’équipe Nachos

♦ S’il est un domaine où l’on trouve interactions, interfaces, homogénéité (ou pas) et ruptures, c’est bien la Terre ! Il s’agit d’un milieu naturellement hétérogène dans lequel, par exemple, l’eau se trouve à la fois sous forme solide (la banquise) liquide (les océans) et gazeuse (l’atmosphère). Notre planète est donc par nature un système complexe et chacun de ses milieux obéit à des lois physiques qui lui sont propres. Pourtant, il y a (heureusement !) une certaine cohérence dans ce système et une même molécule d’eau peut tour à tour être prise dans la banquise, noyée dans l’océan ou encore dans la vapeur d’eau présente dans l’atmosphère : d’où la nécessité pour les modèles numériques d’être capable de faire « dialoguer » ces différents milieux. En terme technique, on parle en général de couplage de modèles (1).Les modèles mathématiques et numériques au service des sciences géophysiques sont nombreux (2) et décrivent des processus naturels très variés, à des échelles spatiales et temporelles multiples.

Un exemple pour conclure : l’érosion littorale. Elle concerne 2 milieux, la mer et le sable ; et même parfois un troisième, l’air, lorsque le sable n’est pas recouvert par l’eau. Comment modéliser les interactions entre le vent, les vagues et le sable de nos plages ? C’est une question à laquelle de nombreux chercheurs en géophysique, en mathématiques et en informatique travaillent et travailleront encore pendant quelques années !

Antoine Rousseau responsable de l’équipe LEMON

La notion de rupture dans les milieux naturels et sociaux
♦ Les interactions entre l’activité humaine et l’environnement qui sont au cœur du concept d’ Anthropocène sont aussi de plus en plus étudiées en sciences du numérique. Les cadres dans lesquels sont menées ces analyses sont très diverses.  Cela va de l’analyse des services écosystémiques (à des échelles plutôt locales), aux sciences du climat connectant des modèles socio-économiques et technologiques (système énergétique) à des modèles physiques (atmosphères, océans), en passant par des modèles de dynamique des systèmes simulant les interactions entre différentes ressources (sols,eau, énergies, métaux, etc), la pollution et les systèmes humaines (population,productions agricoles, productions industrielles, ….). Les outils numériques peuvent tout d’abord permettre de mieux comprendre ces interactions, mais ils peuvent être aussi précieux pour l’ aide à la décision : ils facilitent par exemple les exercices de prospective en permettant de générer plus facilement et de manière plus cohérente des scénarii correspondant à plusieurs futurs possibles.
Ces modèles peuvent aussi permettre d’alerter  sur le risque  de phénomènes de rupture. Par exemple,  le modèle numérique World 3 développé par le Club de Rome dans les années 70 a mis en évidence un risque d’effondrement de la civilisation industrielle au cours du 21 siècle.

Emmanuel Prados responsable de l’équipe STEEP

Enfin, dans le milieu numérique, les notions se retrouvent à plusieurs niveaux, on en choisi deux ici.
Au niveau de la robotique, il y a eu une vraie rupture avec les cobots

♦ Aujourd’hui dans de nombreuses applications, les robots ont pour fonction d’assister les humains dans les milieux physiques et sociaux dans lesquels vivent les humains. C’est le cas par exemple des robots qui apportent une assistance physique aux personnes handicapées, des robots qui remplissent des fonctions d’accueil ou de guide dans des lieux publics, des robots qui accompagnent les apprentissages dans l’éducation, des robots (ou cobots) qui travaillent en collaboration avec des ouvriers dans les usines, ou des véhicules partiellement ou totalement autonomes. Dans ces applications, les robots sont des objets-outils physiques à l’interface entre le milieu physique et social des humains, et le milieu numérique/informationnel des algorithmes qui conduisent le fonctionnement de ces robots en fonction des informations captées dans l’environnement. Ces robots sont aussi parfois à l’interface entre les humains, quand ils sont par exemple des outils-médiateurs entre apprenants et enseignants dans l’éducation, ou entre patients et médecins dans le monde médical. La dimension physique et tangible de cette interface est souvent essentielle à la fois pour la fonction visée (qui implique de réaliser des actions physiques dans l’environnement) ainsi que pour la perception et la compréhension de ces machines par des utilisateurs humains non-experts. Les robots peuvent avoir des formes humanoïdes ou animaloïdes, mais le plus souvent d’autres formes non-biomimétiques sont mieux adaptées à la tâche. 

Les robots sont aussi utilisés comme des outils scientifiques pour modéliser et mieux comprendre les processus sensorimoteurs, cognitifs et sociaux chez les animaux, et chez l’humain en particulier. Ils permettent par exemple de modéliser, et d’expérimenter, certains des mécanismes qui permettent au cerveau de découvrir et d’apprendre comment le corps peut interagir avec le milieu physique et social qui l’entoure. 

Pierre-Yves Oudeyer responsable de l’équipe FLOWERS
Et au delà, avec l’interaction entre humain et machines

♦ «Le monde est devenu numérique !». Nous avons tous lu ou entendu cette affirmation. Mais que signifie-t-elle exactement ? Et bien, que notre « monde d’avant [la révolution informatique] » a été progressivement envahi par les ordinateurs et leurs usages.

Cependant, les ordinateurs ne fonctionnent pas de la même façon que des organismes vivants (comme les humains) : ils reçoivent, traitent, stockent et émettent de l’information (3) qui est codée à l’aide de 0 et de 1. Et donc pour y accéder, nous devons passer par des interfaces matérielles pour transformer en binaire les informations que nous manipulons (textes, images, sons…), que ce soit pour les saisir (clavier, souris (4), joystick…) ou bien les restituer (écran, haut-parleur, imprimante (5)…). Nous utilisons également des interfaces logicielles à travers des systèmes de menus déroulants, de choix à cliquer, de gestes à réaliser sur notre smartphone, etc. (6)

On regroupe l’ensemble de ces composants sous l’intitulé Interaction Homme-Machine (IHM) qui est à la fois une thématique de recherche ancienne (7) et une étape fondamentale dans la conception et le développement des systèmes numériques (8).

Si nous parlons ainsi d’interface, c’est bien qu’il existe une délimitation, une frontière entre deux milieux différents.

Finalement, oui, le monde est devenu numérique, mais paradoxalement, pas ses composantes élémentaires que sont la planète (avec son climat, ses mers, son atmosphère… ) ou les êtres vivants qui nécessitent toutes des interfaces spécifiques pour être en interaction avec ces machines numériques, quoi qu’en prétendent certains journalistes un peu aventureux (9).

Et c’est tant mieux !

Pascal Guitton, professeur, membre de l’équipe Potioc

Les références du texte.
* Pour la notion d’interface dans les milieux physiques :
* Pour la notion de rupture dans les milieux naturels et sociaux
  • Les Limites à la croissance (dans un monde fini), D. Meadows et J. Randers, Éditeur Rue de l’échiquier, 2004
* Pour les milieux numériques

 

Dernière modification : mai 2017.
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