Le neurone ionique, une nouvelle voie pour l’intelligence artificielle ?

Si l’électronique inspirée du cerveau est depuis quelques années en plein essor - et que, pour certaines tâches, des compétitions peuvent démontrer la supériorité de l’intelligence artificielle sur l’intelligence humaine - le cerveau demeure imbattable en termes d’efficacité globale. « Pour une consommation énergétique équivalente à deux bananes par jour, le cerveau humain est capable de réaliser un grand nombre de tâches complexes, tandis que l’intelligence artificielle ne peut réaliser celles-ci qu’au prix d’une consommation énergétique des dizaines de milliers de fois supérieure », explique Lydéric Bocquet, directeur de recherche CNRS au Laboratoire de Physique de l’ENS. Si l’origine de cette incroyable performance est encore mal connue des scientifiques, le prototype de neurone ionique artificiel réalisé par l’équipe de Lydéric Bocquet et ses étudiants pourrait bien impulser de nouvelles réponses et ouvrir des perspectives inédites quant au développement de la mémoire électronique.

La nanofluidique au service de l’intelligence artificielle

L’enjeu de la recherche d’aujourd’hui est de concevoir des systèmes électroniques performants et aussi économes en énergie que le cerveau humain, des systèmes qui utiliseront, par exemple utilisant des ions, et non des électrons, comme vecteurs de l’information (1). « Des progrès considérables ont été réalisés dans le domaine du transport des fluides aux nano-échelles. Les systèmes artificiels développés jusqu’ici restent cependant sans commune mesure avec l’impressionnante machinerie existant dans la Nature : canaux ultra-sélectifs, pompes ioniques ou à protons, canaux qui s’ouvrent ou se bloquent sous certains stimuli, etc. Ce sont des véritables "machines ioniques" qui dépassent de très loin tout ce que l’on sait réaliser artificiellement, à la fois en termes de complexité ou d’efficacité des fonctions réalisées » détaille Lydéric Bocquet. Pour ce physicien spécialiste des nano-sciences, la nanofluidique pourrait ouvrir des perspectives nouvelles aux recherches en intelligence artificielle : « en utilisant les nouveaux comportements des fluides aux nanoéchelles, on peut mimer certaines de ces fonctions qui ont habituellement lieu dans le cerveau et imaginer des briques de base pour construire artificiellement ces fameuses "machines ioniques" ».

C’est ainsi que les travaux de Lydéric Bocquet et de son équipe sur les canaux ultra-fins de quelques nanomètres, voire d’angströms d’épaisseur, ont amené les chercheurs à explorer le transport d’ions dans des structures à deux dimensions, ici une couche unique de molécules d’eau constituée de nanofentes de graphène. « La physique en deux dimensions est toujours source de comportements singuliers, voire bizarres … et c’est effectivement ce que l’on a observé pour le transport d’ions dans ces feuillets : du bizarre », se rappelle le scientifique.

Faire aussi bien que la Nature

Les chercheurs ont tout d’abord travaillé sur des prédictions théoriques : sous l’action d’un champ électrique, les ions issus de cette couche d’eau s'assemblent en serpentins allongés et développent alors une mémoire des stimuli reçus dans le passé. Cette « mémoire » conduit à une propriété connue sous le nom d'"effet memristor", c’est à dire de "résistance à mémoire". Dans les systèmes neuronaux, ces memristors jouent un rôle central dans diverses fonctions, comme par exemple l’émission de potentiels d’actions. Dans les systèmes biologiques, cette mémoire se construit grâce à des canaux ioniques qui s’ouvrent et se ferment pour moduler le courant. « Dans les systèmes artificiels qui nous intéressent, l’origine est très différente, mais le résultat est très similaire. Il faut donc trouver des astuces pour faire aussi bien que la Nature » résume Lydéric Bocquet.

Prototype de neurone artificiel : les fentes nanofluidiques peuvent jouer le rôle des canaux ioniques, qui permettent aux neurones de communiquer. Le transport d’ions à l’origine de cette communication est assuré par des grappes d’ions. © Paul Robin, étudiant en thèse au Laboratoire de physique de l'ENS.

Dans un second temps, s’appuyant sur les outils théoriques et numériques, les chercheurs ont pu montrer que ces systèmes ioniques artificiels sont capables de reproduire le mécanisme physique de l’émission des potentiels d’action des neurones, et donc de transmettre une information. Un travail fastidieux, mais qui s’est révélé payant, comme le souligne Lydéric Bocquet : « bien sûr, dans ce va et vient permanent entre théorie et expériences, nous avons très rapidement fait la chasse aux memristors dans nos systèmes de nano-fentes… et nous les avons finalement trouvés ! » Les scientifiques ont ainsi pu reproduire artificiellement le comportement d’un autre système neuronal, une synapse, qui en régulant le lien entre deux neurones, permet de faire de l’apprentissage. « Ces "machines ioniques artificielles" sont encore primitives, et loin de l’architecture fantastique du cerveau » tempère Lydéric Bocquet. « Mais si fabriquer un "ordinateur ionique" artificiel est encore un rêve, ces avancées ouvrent un nouveau chemin et nous permettront également de mieux comprendre le rôle des ions comme vecteurs d’information » ajoute-t-il, optimiste. La prochaine étape ? « Implémenter des algorithmes d’apprentissage simples, qui pourront servir de base aux mémoires électroniques de demain », explique le chercheur, enthousiaste.

De nouvelles voies pour la recherche

Un projet remarquable, porté par un chercheur qui depuis plus de 10 ans explore le monde de l’infiniment petit dans les fluides. Depuis 2014, Lydéric Bocquet est à la tête de l’équipe microMégas au sein du Laboratoire de Physique de l’ENS qu’il a co-fondée avec Alessandro Siria chercheur CNRS, et rejoint en 2019 par Antoine Niguès, ingénieur de recherche ENS. Les scientifiques y développent expériences et théories pour comprendre comment s’écoulent les fluides, mais aussi les ions, dans des canaux dont la taille peut atteindre quelques molécules seulement. C’est le domaine de la nanofluidique. « À ces échelles infinitésimales, des propriétés nouvelles, parfois exotiques, émergent et il faut repenser la façon dont coulent les fluides, proposer un nouveau cadre », explique Lydéric Bocquet. Et si le domaine de la nanofluidique est encore très récent, il est actuellement en plein boom.

L’eau au travers d’un nanotube de carbone [d’après Secchi et al., Nature 2016].
L’eau s’écoule quasiment sans frotter dans ces canaux de carbone, phénomène dont la compréhension reste largement ouverte. Cependant les dernières avancées théoriques suggèrent une origine quantique du frottement anormal entre l’eau et le carbone [Kavokine et al., ArXiv].

Pour le scientifique, il s’agit d’« une véritable aventure » et son équipe a dû relever de nombreux défis dans ses recherches : « avant toute chose, il a fallu inventer une boite à outils expérimentale complètement nouvelle pour pouvoir construire de tels systèmes aux dimensions si minuscules, ce que l’on a fait en fabriquant des sortes de "legos" aux nanoéchelles, qui utilisent notamment tous les nouveaux nanomatériaux qui ont émergé depuis une dizaine d’années, nanotubes, graphène… » détaille Lydéric Bocquet. Les scientifiques ont ensuite développé des instruments de mesure adaptés, et imaginé de nouvelles techniques pour mesurer comment les fluides s’écoulent dans de tels canaux. « Cela requiert une précision jamais atteinte », précise le chercheur, « c’est un vrai défi technique ».

Ce qui semblait impossible il y a encore 10 ans est maintenant devenu une réalité de laboratoire, et cet arsenal expérimental et théorique a permis de mettre en évidence des phénomènes inattendus. Pour prendre un exemple, les expériences de l’équipe microMégas ont mis en évidence que l’eau coule quasiment sans frotter dans les nanotubes de carbone, et ce d’autant plus facilement que les nanotubes sont petits – phénomène que les chercheurs pensent désormais être la signature d’un couplage quantique très singulier entre l’eau et le carbone, comme ils l’ont récemment prédit. « Les fluides aux nanoéchelles se montrent donc bien plus étranges qu’on aurait pu l’anticiper, et la nanofluidique est un sujet de recherche foisonnant, qui ouvre de multiples questions très fondamentales », estime Lydéric Bocquet.

Des start-ups au service de l’environnement

Ces propriétés remarquables sont aussi précieuses. Elles peuvent notamment être mises en œuvre dans des applications en lien direct avec les défis de la transition environnementale. Les chercheurs ont ainsi mis en évidence dans leurs expériences que certains matériaux peuvent convertir des différences de salinité en énergie électrique, avec une efficacité bien plus grande que les approches existantes. Pour Lydéric Bocquet, ce fut le point de départ en 2016 d’une autre aventure, celle de la start-up Sweetch Energy, qui s’aventure sur les chemins de l’énergie osmotique. Partant d’une observation d’un comportement inattendu aux nanoéchelles, que les scientifiques ont publié en 2013 puis breveté, Sweetch a développé la technologie en collaboration avec l’équipe microMégas et travaille maintenant à l’industrialisation du procédé. Pour Lydéric Bocquet, « c’est une avancée majeure, il y a un espoir considérable envers cette source d’énergie complètement renouvelable et non-intermittente. »

« Ce chemin court entre recherche fondamentale et innovation est presque systématique en nanofluidique » souligne Lydéric Bocquet, notamment parce que les nouvelles propriétés fondamentales mises en évidence aux nanoéchelles permettent de « développer des innovations de rupture, par exemple dans le domaine des membranes ou des nanotechnologies ». Avec son collègue Alessandro Siria, cofondateur de microMégas, il a depuis créé deux autres start-ups, Hummink, qui fait de l’impression aux nanoéchelles pour l’industrie des semi-conducteurs, et Altr, qui développe des membranes pour réduire le taux d’alcool dans les boissons.  

« La nanofluidique est à la confluence de divers domaines » explique le chercheur pour justifier le fort potentiel de cette discipline scientifique, « c’est la frontière où le continuum de la mécanique des fluides rencontre la nature atomique de la matière, voire sa nature quantique ». Aujourd’hui, les grands axes de la recherche en nanofluidique visent à proposer un cadre nouveau à la dynamique des fluides aux petites échelles. Des modèles de transport des fluides sont ainsi en train d’émerger pour décrire les propriétés des liquides confinés à l'échelle nanométrique. L’un des axes principaux de recherche concerne justement l’interface entre la dynamique des fluides et le monde quantique. « Nos travaux récents sur le frottement quantique ouvrent de multiple pistes pour moduler les flots par des effets quantiques, avec notamment la possibilité d’une forme d’"ingénierie quantique" des écoulements dans certains matériaux que nous sommes en train d’explorer », indique Lydéric Bocquet. « La bio-inspiration est également un champ complètement ouvert, avec l’objectif de développer des canaux artificiels dont les propriétés reproduisent – grâce aux propriétés émergentes – leurs contreparties biologiques : développer des pompes ioniques, des canaux stimulables, l’ensemble visant à développer une "ion-tronique". »

La nanofluidique est également en train d’influencer fortement le domaine des membranes avec des matériaux et des concepts nouveaux pour la séparation, la remédiation, le dessalement. Sur ce versant de la recherche en nanofluidique, on peut mentionner les travaux conduits sur les membranes à base de graphène, notamment leur versant versatile, les membranes d’oxyde de graphène, ou encore divers nanomatériaux qui sont en train de révolutionner certains champs de la recherche appliquée. Ainsi, les membranes de désalinisation sont par exemple très utiles dans le domaine de l’agriculture. Le graphène, matériau très résistant face à l’agression des agents chimiques, est aussi particulièrement intéressant pour l’industrie textile où ses pouvoirs de filtration des teintures, bien souvent nocives pour l’environnement, pourraient demain être décisives.

« là où j’ai peur, j’irai »

Pour Lydéric Bocquet, le champ des possibles qu’offre la nanofluidique est proprement fantastique. C’est tout un univers passionnant à découvrir, ce qui d’ailleurs le conforte quotidiennement dans son choix de carrière. Ancien normalien, le scientifique a découvert la physique statistique à l’ENS, « une forme de révélation », se rappelle-t-il. Pour l’étudiant qu'il était alors, il s’agissait d’un changement radical dans la façon d’aborder un domaine scientifique, notamment après des années d’enseignement « plus scolaire ».
« C’était aussi la révélation d’une cohérence : comprendre que le collectif a ses propres lois, que more is different selon le titre d’un article célèbre du physicien P.W. Anderson, et voir se construire un cadre vraiment puissant pour l’expliquer, cela m’a émerveillé. » Le chercheur cite en exemple l’enseignement « lumineux, limpide et sans concession » de Bernard Jancovici, son ancien professeur de physique. « Je donne cours maintenant aux étudiants de l’ENS et c’est un plaisir considérable de voir le même type de réaction parmi eux. »

Interrogé sur ce qui lui plaît particulièrement dans le métier de chercheur, Lydéric Bocquet répond sans hésiter « travailler ensemble au sein d’une petite équipe soudée et solidaire » car c’est une force pour oser « sortir des cadres établis ». Une affirmation qui n’a rien de paradoxal. Il s’agit tout simplement de savoir apprécier l’exploration immobile que permet la recherche. Ces moments où « dans les quelques mètres carrés du laboratoire, on explore loin de tout ce qui est connu » précise le scientifique. « Évidemment avec beaucoup d’échecs, et cela fait partie intégrante du métier de chercheur, mais avec des moments exaltants où l’on peut rapporter de nos explorations un phénomène nouveau, une propriété inattendue ou la confirmation d’une intuition. Ce n’est pas la connaissance qui rend le travail de chercheur si exaltant, c’est l’absence de connaissance, l’ignorance, comme le pointe le petit livre du neuroscientifiques Stuart Firestein, Ignorance, how it drives science. » Pour Lydéric Bocquet, il est primordial dans la recherche de sortir de sa zone de confort, d’explorer ce que l’on ne comprend pas. « De façon plus poétique, la chanteuse Anne Sylvestre répondait dans une interview "là, où j’ai peur j’irai" : on ne peut mieux dire », ajoute-t-il non sans une pointe d’humour.

« J’ai eu la chance de travailler avec des étudiants vraiment extraordinaires »

Directeur de recherche au CNRS, Lydéric Bocquet travaille au sein du Laboratoire de Physique de l’École normale et est professeur attaché à l’ENS depuis plus de six ans, après avoir enseigné à l’Université Lyon 1 de 2002 à 2014. « La structure de l’ENS est à la fois extrêmement ouverte mais compacte. Il est encore possible d’échanger avec la direction du Laboratoire ou de l’École », explique le scientifique. « Avoir une direction de laboratoire éclairée et bienveillante en physique est une chance incroyable. »
Mais à ses yeux, l’atout considérable de l’ENS-PSL, ce sont ses étudiants. « Depuis que je suis arrivé à l’École normale, j’ai eu la chance de travailler avec des étudiants vraiment extraordinaires, et je pèse mes mots », témoigne Lydéric Bocquet. « Je n’ai jamais rencontré l’équivalent ailleurs dans le monde. Je ne peux évidemment pas tous les citer ici, mais ils se reconnaitront, notamment dans les travaux évoqués précédemment. Avec de tels talents, on peut se lancer ensemble dans des sujets difficiles et ambitieux », poursuit avec chaleur l’enseignant-chercheur. « Cela n’est pas un voyage tranquille bien sûr, mais ils sont parfaitement armés pour cela et je dirais même que l’on se doit de les amener sur des terrains accidentés. C’est là où ils se formeront et exprimeront le mieux leur talent. »

Écouter son intuition

Soucieux d’encourager les vocations auprès des futurs chercheurs et chercheuses, qu’ils empruntent ou non le chemin de l’École, Lydéric Bocquet partage volontiers quelques conseils. « Le premier, c’est de bien réfléchir au sujet que l’on veut aborder », indique-t-il. Selon lui, les sujets à la mode ne sont au final pas les plus intéressants. « Il faut donc cultiver sa singularité, aller en dehors des sentiers battus, chercher la difficulté et ne pas se contenter du chemin facile. »
Son deuxième conseil ? « Écouter son intuition et laisser courir son imagination. Ce sont des qualités clefs, bien plus importantes selon moi que des qualités purement techniques. En physique, trouver la bonne question est essentiel. La réponse suivra, on peut et on doit tout se permettre pour la trouver. »

Le chercheur avertit cependant avec bienveillance du travail considérable et de la nécessité de vérifier ses intuitions. « Mais il faut jouir du moment », relativise-t-il, « et profiter au jour le jour de ce cheminement, avec ses aléas, ses difficultés, ses bons et ses mauvais jours. Pas uniquement du but à atteindre. » Et le scientifique – et visiblement mélomane - d’ajouter malicieusement en guise de conclusion : « comme le dit joliment Simon Rattle, chef d’orchestre, "Promise me that whatever you do, you will always travel, but you will never agree to arrive anywhere" ».

Bibliographie

• Modeling of emergent memory and voltage spiking in ionic transport through angstrom-scale slits. Paul Robin (1) Nikita Kavokine (1) et Lyderic Bocquet (1). Science, le 6 août 2021. DOI : 10.1126/science. abf7923
• Source (1) dans le texte. Un neurone ionique artificiel pour les mémoires électroniques de demain, cnrs.fr, août 2021.

(1) Affiliation : LPENS, ENS-PSL, CNRS, Sorbonne Université, Université de Paris.

Pour aller plus loin

• Nanofluidics coming of age, L. Bocquet, Nature Materials 19, 254-256 (2020)
• Fluctuation-induced quantum friction in nanoscale water flows, N. Kavokine, M.-L. Bocquet and L. Bocquet, à paraître dans Nature (2021); Arxiv2105.03413
• Modeling of emergent memory and voltage spiking in ionic transport through angström-scale slits, P. Robin, N. Kavokine, and L. Bocquet, Science 373, 687–691 (2021)