Comment la science derrière les yeux des chats inspire la technologie des caméras pour les robots

Percy Shaw rentrait chez lui en voiture par une nuit de brouillard en 1933 lorsqu'une lumière apparut au bord de la route et le figea sur place.

La légende raconte qu'il s'agissait d'un chat : ses yeux auraient été attirés par les phares de la voiture et auraient renvoyé la lumière directement sur lui.

« C'est un de ces hasards », a déclaré Glenda Shaw, la petite-nièce de Percy, au podcast Witness History de la BBC en 2022. « Il a aperçu un reflet qui l'a incité à s'arrêter, et lorsqu'il a regardé, il s'est rendu compte qu'il était du mauvais côté de la route. S'il avait continué tout droit, il aurait fait une chute mortelle dans le ravin. »

Ce moment lui a non seulement sauvé la vie, mais il est aussi considéré comme l'inspiration qui a poussé Shaw à inventer le plot réfléchissant utilisé dans le marquage routier, communément appelé « œil de chat » dans son Royaume-Uni natal.

Au moment du décès de Shaw en 1976, quelque 15 millions de catadioptres avaient été fabriqués. Ces dispositifs, ainsi que leurs variantes, sont encore utilisés aujourd'hui sur les routes du monde entier.

D'après sa petite-nièce, Shaw a mis au point son invention par « tâtonnement ».

« Il ne connaissait rien à la physique, aux réflexions, aux réfractions et aux angles », a-t-elle déclaré. « Il a simplement trouvé la solution par lui-même. »

Bien que son dessin ne soit pas directement inspiré de la structure de l'œil d'un chat, Shaw a tenté de reproduire le reflet qu'il avait vu cette nuit-là à l'aide de perles de verre.

Comment les yeux des chats « brillent »

Les yeux des vrais chats, en revanche, semblent briller dans le noir grâce à une couche de tissu réfléchissante située derrière la rétine, appelée tapetum lucidum.

« C’est une structure particulière que les humains ne possèdent pas », explique Braidee Foote, vétérinaire ophtalmologiste et professeure agrégée de clinique à l’Université du Tennessee.

Signifiant « tapisserie brillante » en latin, cette couche réfléchissante transforme l'œil du chat en un miroir, améliorant sa vision nocturne et lui permettant de chasser dans des conditions de faible luminosité. Elle offre à l'œil une seconde chance de capter la lumière qui, autrement, serait perdue.

« Chaque fois qu'un rayon lumineux ne touche pas un photorécepteur, on considère qu'il est perdu », explique Foote. Mais dans la zone de l'œil qui possède un tapetum lucidum, ce rayon est réfléchi et peut atteindre un autre photorécepteur.

« La raison pour laquelle… on a l’impression que la lumière brille si fort en retour, c’est que la pupille se dilate beaucoup la nuit, quand la luminosité est faible », explique Foote, permettant ainsi à une partie de cette lumière réfléchie de rebondir également.

La couleur de cette brillance varie d'un chat à l'autre, allant de l'orange et du jaune au vert, en fonction des pigments présents dans leurs tissus.

Mais les chats sont loin d'être les seuls animaux à posséder cette couche réfléchissante, c'est pourquoi vous pourriez également remarquer que les yeux d'autres animaux brillent.

« Les chiens, les chats, les chevaux, les bovins – tous ces animaux possèdent un tapetum lucidum », explique Foote.

Caméras œil-de-chat

Des décennies après l'invention de Shaw, les ingénieurs modernes s'inspirent désormais de l'anatomie de l'œil du chat pour développer des technologies de caméra de pointe, destinées aux robots, aux drones et aux véhicules autonomes.

Young Min Song, professeur de génie électrique à l'Institut supérieur coréen des sciences et technologies, souhaitait construire un appareil photo capable de fonctionner dans diverses conditions d'éclairage et de distinguer des objets dans un environnement encombré.

Pour ce faire, il a d'abord essayé d'imiter le tapetum lucidum d'un chat.

Chez un vrai chat, il s'agit de cellules contenant des cristaux en forme de bâtonnets de riboflavine et de zinc, agencés de manière à réfléchir la lumière.

Song explique que reproduire cette nanostructure par génie chimique s'est avéré trop complexe, son équipe a donc utilisé un matériau argenté hautement réfléchissant placé derrière le capteur d'image pour créer le réflecteur artificiel, ce qui a permis d'augmenter l'absorption de la lumière visible de la caméra de 52 %.

Ensuite, Song s'est intéressée à une autre caractéristique distinctive de l'œil du chat : la forme étroite et verticale de fente que prend sa pupille en pleine lumière.

Des recherches suggèrent que cela pourrait aider les chats à évaluer les distances, leur permettant ainsi de repérer leurs proies prises en embuscade parmi la végétation dense environnante.

Song a pensé : « Si je développe des appareils photo inspirés des yeux de chat avec une pupille verticale, cela pourrait être utile pour éliminer tout le bruit de fond. On pourrait alors voir clairement l’objet. »

Les systèmes de vision par ordinateur modernes peuvent déjà isoler des objets dans des scènes complexes, un peu comme le mode portrait d'un smartphone floute l'arrière-plan d'une personne. Mais cela nécessite souvent une puissance de calcul importante.

L'idée de Song était d'intégrer une partie de cette fonctionnalité directement dans l'appareil photo lui-même en adoptant une forme de pupille verticale inspirée du chat pour son ouverture - le trou dans l'objectif de l'appareil photo qui laisse passer la lumière vers son capteur.

Pour tester cette idée, l'équipe de Song a photographié des objets avec des arrière-plans bruités en utilisant à la fois une ouverture ronde normale et une ouverture de forme verticale.

Avec l'ouverture ronde, le sujet et l'arrière-plan restaient nets. Mais avec l'ouverture verticale, le sujet apparaissait nettement plus clair.

Pour l'instant, l'ouverture doit être modifiée manuellement au lieu de s'adapter automatiquement aux niveaux de lumière, comme le fait un œil de chat – un problème que Song dit vouloir résoudre à l'avenir.

D'autres yeux à copier

Outre son appareil photo inspiré des yeux des félins, Song et ses collègues ont mis au point plusieurs appareils photo basés sur les yeux d'autres animaux. Il estime par ailleurs que des centaines de modèles pourraient s'inspirer de la nature.

« Les mouches ont des yeux globuleux et peuvent voir partout à la fois », explique-t-il à propos de son appareil photo conçu en 2013 sur le modèle de l'œil d'une mouche, alors qu'il était étudiant à l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

« Il possède un champ de vision extrêmement large et une reconnaissance d'objets très rapide », ce qui, selon lui, est parfaitement adapté à une utilisation dans les drones robotisés.

Il en va de même pour une autre caméra développée par son laboratoire, inspirée de l'œil d'un aigle. Elle capture une image nette et agrandie au centre de son champ de vision tout en conservant une large périphérie à plus faible résolution.

« On peut réfléchir à quel animal serait le plus adapté à une application spécifique », dit-il.

Il mène actuellement des recherches sur l'araignée sauteuse, qui, selon lui, possède l'un des systèmes oculaires les plus uniques de la nature.

« Ils ont huit yeux au total… à l’avant, sur les côtés, et même à l’arrière, et ils peuvent tout voir. De plus, grâce à leur œil frontal, ils peuvent détecter les profondeurs exactes avec un seul œil », explique Song.

Ces araignées peuvent estimer les distances avec une grande précision car elles possèdent une rétine superposée, ce qui leur permet d'effectuer des sauts très précis sans manquer leur cible, explique-t-il.

Song affirme qu'une caméra construite selon le même principe pourrait être adaptée à des tâches nécessitant des mesures de distance très précises, comme les systèmes de guidage de missiles.

Alors que la plupart des systèmes de caméras modernes, comme celui de votre téléphone, imitent principalement l'œil humain, Song affirme que les caméras inspirées de la vision animale pourraient avoir des applications spécialisées, « pour les robots, l'industrie, les drones ou tout autre système robotique de nouvelle génération ».

Nous avons utilisé l'IA pour aider à traduire cet article, rédigé à l'origine en anglais. Un journaliste de la BBC a vérifié la traduction avant sa publication. En savoir plus sur la manière dont nous utilisons l'IA.