Les GRASPions débarquent

Professeur de recherche Francqui pour les trois années à venir, Nicolas Vandewalle va consacrer son temps à la “matière active”. La physique investit de plus en plus le champ du vivant.

À

le voir ainsi émerveillé dans son laboratoire, entouré de ses microrobots et de ses jeunes collaboratrices et collaborateurs aussi passionnés que lui, on dirait que Nicolas Vandewalle n’en revient toujours pas : sa charge d’enseignement considérablement réduite, il va pouvoir se consacrer presque entièrement à ses recherches. « La physique d’aujourd’hui, explique-t-il, repose encore largement sur les lois de Newton, même si certains comme Einstein avec la relativité, ou Schrödinger avec la mécanique quantique, ont porté ce que j’appelle des coups de massue à cette physique et en ont révélé les limites. Mais elle fonctionne à merveille lorsque les objets étudiés sont simples, inertes et obéissent à la troisième loi newtonienne. » Laquelle, appelée principe de l’action-réaction, stipule qu’un corps qui exerce une force sur un autre subit une force égale et opposée. La Terre nous attire… mais nous attirons aussi la Terre (même si on ne s’en rend pas compte !).

« En 1995, poursuit Nicolas Vandewalle, un physicien hongrois, Thomas Vicsek, se pose la question suivante : qu’en sera-t-il de la physique si elle s’intéresse à des objets qui se meuvent par eux-mêmes, qui interagissent autrement que selon le principe d’action-réaction ? » On se doute qu’on vise ici avant tout le domaine du vivant. Des bandes de petits poissons qui bougent dans un flux, des nuées d’étourneaux qui dessinent des figures dans le ciel et, surtout, des cellules au sein de tissus organiques sont quelques exemples de ces particules qui se meuvent par elles-mêmes. « Si elles exercent des forces, ce sont des forces non-réciproques, donc elles n’obéissent pas à la troisième loi de Newton. Un bon exemple est ce qui se passe entre proie et prédateur, ou dans le dessin animé Tom et Jerry, le premier poursuivant le second sans jamais l’atteindre », illustre le physicien.

Des petits robots qui simulent le vivant

Un nouveau champ, celui de la matière active, s’ouvrait ainsi à la physique. Petit problème cependant : « Le vivant, il faut s’en occuper, le nourrir, explique Nicolas Vandewalle, dont le bureau ne s’orne d’aucune plante verte. Sans compter que ces soins (ou leur absence) peuvent fausser les expériences. » La solution ? Créer des objets qui le remplacent, ce que fait le Pr Vandewalle et son équipe. Ces objets prennent la forme de petits robots de quelques centimètres, appelés GRASPions car issus du GRASP (Group of Research and Applications in Statistical Physics) que dirige Nicolas Vandewalle.

« Lors de l’épidémie de Covid, comme les labos étaient fermés, mon équipe a planché sur le sujet. À l’issue de l’épidémie, on avait un robot performant. Aujourd’hui, tous les composants électroniques sont européens : nous ne dépendons ni de la Chine ni des États-Unis ! » Le GRASPion est donc un petit robot programmable basé sur l’effet des vibrations (c’est ce qui lui permet de se mouvoir) qui peut être télécommandé grâce à de la lumière infrarouge ou programmé directement via son microprocesseur embarqué. Il est entièrement open source, ce qui le rend facile à utiliser pour les étudiants comme pour les chercheurs. Ses pièces modifiables sont imprimées en 3D et son large éventail de capteurs et de capacités de communication le rend apte à de nombreuses expérimentations. « À l’heure actuelle, nous en avons produit une centaine, ce qui nous permet de simuler des effets collectifs, et nous sommes les seuls à pouvoir le faire », précise fièrement Nicolas Vandewalle.

De la peau synthétique qui s’autorépare

Mais dans quel objectif “élever” ces essaims de robots miniatures ? « Notre but est de fabriquer des matériaux synthétiques qui peuvent sentir, s'adapter et apprendre. » On peut par exemple obliger un de ces GRASPions, entouré d’une membrane déformable comme celle d’une cellule (voir photo), à se déplacer dans un canal simulant les vaisseaux sanguins ou lymphatiques (canaux par lesquels se répandent les cellules cancéreuses). Par la technique du machine learning, on lui fournit des données sur le déplacement des cellules saines ou cancéreuses et on oblige le robot à se comporter comme une cellule cancéreuse. On a donc un objet qui se comporte véritablement comme tel, bien différent d’une simulation informatique ou d’une observation in vivo.

Les chercheurs liégeois ont aussi observé un autre phénomène. Lorsque, dans un espace donné, on augmente le nombre de ces robots entourés de leur membrane, on constate qu’à partir d’une certaine densité, leur mobilité diminue jusqu’à l’arrêt : ils constituent ainsi un solide. Mais si on accroît encore leur nombre, ils se déforment, s’allongent, glissent les uns sur les autres et adoptent les propriétés d’un liquide. On passe ainsi de la phase gazeuse (quelques robots) directement à la phase solide (arrêt) puis à la phase liquide… « Nous avons ainsi reconstitué un tissu cellulaire, ensemble de cellules qui se regroupent pour accomplir une fonction spécifique. Par exemple, la peau. S’il y a une coupure, de nouvelles cellules s’agglomèrent et la peau se répare. C’est ce qui correspond à la phase liquide de notre essaim de robots. On arrive donc à reproduire à une échelle macroscopique, en laboratoire, un phénomène qui n’était connu qu’à l’échelle des tissus cellulaires. »

C’est le futur défi du labo GRASP : créer une matière capable de s’autoréparer ou de se rigidifier à volonté. Actuellement, seuls les matériaux biologiques contenant des cellules vivantes peuvent présenter des comportements aussi complexes, et aucun matériau entièrement artificiel n'a encore atteint ce niveau de sophistication. Mais aussi continuer à produire des robots pour satisfaire à la demande d’autres équipes de recherche, partout dans le monde. Et, bien entendu, développer la théorie qui permettra de comprendre – mettre en équations – le comportement de la matière active.