Projets 80|Prime : six projets coordonnés par des chercheurs de l'INS2I

Distinctions Informatique

Dans le cadre des 80 ans du CNRS, la MITI (Mission pour les initiatives transverses et interdisciplinaires) a mis en place en décembre 2018 l'appel à projets 80|Prime dans le but de soutenir et renforcer l'interdisciplinarité entre les instituts du CNRS. Six scientifiques des laboratoires de l'INS2I figurent dans le palmarès. Portraits.

Interagir avec le numérique en utilisant les matériaux programmables

Céline Coutrix

Intitulé du projet : MeMorI "Meta-Morphic Changing Interface"
Instituts associés :
INS2I, INSIS

Céline Coutrix travaille dans le domaine de l’interaction humain-machine (IHM) au Laboratoire d’Informatique de Grenoble (LIG, CNRS/Inria/Grenoble INP/Université Grenoble Alpes). L’IHM nous apporte des connaissances facilitant la conception, la réalisation et l'évaluation des systèmes informatiques interactifs, actuels et futurs.

Céline Coutrix a rencontré Dominique Peysson, ancienne physicienne maintenant artiste plasticienne, en travaillant toutes les deux à l’École des Arts Décoratifs à Paris. Habituées des collaborations interdisciplinaires, en discutant, elles ont eu l’intuition qu’une collaboration entre elles et Benoît Roman du PMMH pourrait permettre d’imaginer des interfaces radicalement différentes de ce qui est imaginé aujourd’hui.

Le projet MeMorI, qui en résulte, a pour but d’imaginer de nouvelles façons d’interagir avec les systèmes informatiques, en utilisant les matériaux programmables qui émergent aujourd’hui. Le but est d’enrichir l’expérience des utilisateurs des systèmes informatiques via la manipulation physique d’une interface malléable, dont la forme peut changer à l’initiative de l’utilisateur ou bien de la machine. 

Le projet MeMorI étudiera les interfaces qui adapte leur forme selon :

  • Les capacités, par exemple motrices, des utilisateurs,
  • La tâche des utilisateurs, par exemple l’ajustement grossier d’un paramètre sonore,
  • L’environnement où l’interaction a lieu, par exemple si l’utilisateur est en train de marcher dans la rue.

Le projet MeMorI cherchera à exploiter les avantages des matériaux programmables. Un des défis sera d’identifier les opportunités uniques de ces matériaux par rapport aux approches alternatives, comme les objets rigides embarquant des moteurs.

Une des originalités du projet est aussi la dissémination de ses résultats qui est prévue via une installation artistique qui sera exposée en fin de projet.

Modéliser les interactions entre les réseaux sociaux et leurs utilisateurs pour comprendre la propagation des fake news

Paolo Frasca
Photo Paolo Frasca

Intitulé du projet : DOOM "Systems theory for the Disorders Of Online Media"
Instituts associés : INS2I, INSHS

Paolo Frasca est chercheur en automatique au laboratoire Grenoble Image, Parole, Signal, Automatique (GIPSA-lab - CNRS/Grenoble INP/Université Grenoble Alpes). Après des études en mathématiques appliquées, il s’est consacré à l’étude des dynamiques complexes et des réseaux. Formé en Italie, il a été enseignant-chercheur aux Pays-Bas avant d’être recruté par le CNRS en 2016. Dans les dernières années, il s’est intéressé aux modèles mathématiques des dynamiques sociales. Plus particulièrement, il se rend compte (comme la plupart d’entre nous) que les réseaux sociaux ont un rôle clé dans la société contemporaine, et que les débats qui s'y déroulent façonnent les tendances politiques et sociétales. Pour cette raison, il observe avec inquiétude certains phénomènes pathologiques tels que la formation de « bulles de filtres » et la propagation virale de fake news. Du coup, il s’interroge sur comment sa recherche pourrait aider à comprendre ces phénomènes.

En juin 2018, il a rencontré Tommaso Venturini pendant les Journées Scientifiques annuelles d’Inria à Bordeaux. Tommaso Venturini est un chercheur sur la sociologie des media, qui travaille activement sur les phénomènes de fake news. Ensemble, ils ont préparé le projet "DOOM" qui a donc le but d’intégrer la connaissance disciplinaire de Tommaso et les méthodologies mathématiques de Paolo.

L’hypothèse scientifique de ce projet est que les troubles de l’information sont des conséquences directes de la nature de ces moyens de communication, et plus précisément de la dynamique collective de l’attention qui y prend place. Afin de rendre compte de ces dynamiques, ce projet préconise la modélisation mathématique de l’interaction entre la plateforme (composante algorithmique) et les utilisateurs (composante humaine). La dynamique qui en résulte doit être explorée selon une approche basée sur la théorie des systèmes, utilisant des notions telles que le feedback et la stabilité. Cette approche quantitative et rigoureuse permettra non seulement des compréhensions fondamentales, mais également de faire des suggestions sur les politiques les plus appropriées pour gérer ces médias.

Comprendre et classifier les puzzles nanométriques

Thomas Fernique
Photo Thomas Fernique

Intitulé du projet : ASAP "Assemblage de Supercristaux par Approche Prédictive"
Instituts associés :
INS2I, INP, INC

Thomas Fernique est spécialiste des pavages au sein du Laboratoire d'Informatique de Paris-Nord (LIPN - CNRS/Université Paris 13). En effet, dans un jeu de puzzle, l'emboîtement et la continuité des couleurs entre deux pièces voisines sont des contraintes locales qui, se propageant de proche en proche, forcent le dessin promis sur la boîte. Il s'agit d'un phénomène de transfert d'information, qui conduit à des problèmes d'informatique théorique souvent difficiles (NP-complétude, indécidabilité, etc).

Ces problèmes apparaissent aussi lorsqu'on cherche à disposer sur une table des pièces de monnaie de taille différente sans qu'elles ne se chevauchent et de façon à maximiser la surface recouverte, c'est-à-dire à minimiser la surface totale des interstices entre ces pièces. En effet, pour certaines tailles de pièces bien particulières (solutions d'équations algébriques), la meilleure façon de disposer les pièces est de faire en sorte que chaque interstice soit délimité par exactement trois pièces deux à deux adjacentes. Or une telle configuration peut être vue comme un puzzle par les triangles qui relient les centres de trois pièces deux à deux adjacentes.

De manière étonnante, de tels puzzles apparaissent spontanément dans des expériences de chimie qui n'ont a priori rien à voir : l'assemblage de supercristaux de nanoparticules (figure ci-dessous). Apparus ces dernières années et étudiés par Simon Tricard au LPCNO, ces assemblages ont des propriétés magnétiques, semiconductrices, luminescentes ou catalytiques originales qui dépendent fortement de leur structure. Thomas Fernique a pensé à contacter son ancien camarade de promotion de l’ENS Lyon, Simon Tricard, quand il s’est interrogé si son travail sur les cercles pouvait être plus facile à réaliser à l'échelle nanométrique qu'à l'échelle atomique.

L'objectif de ce projet et de comprendre pourquoi ces structures de "puzzle" apparaissent naturellement, de classifier théoriquement les structures possibles et de les synthétiser en laboratoire.

Assemblages de nanoparticules
Six assemblages de nanoparticules et, surimposé en rouge, des cercles tels que chaque interstice soit délimité par exactement trois cercles. La concordance est frappante, bien que les rayons des cercles soient des nombres algébriques bien spécifiques.
Modification d'une photo de T. Paik, B. T. Diroll, C. R. Kagan et Ch. B. Murray

 

Comprendre comment l'activité du cerveau pendant le sommeil participe à l'apprentissage

Benoît Girard
Photo Benoît Girard

Intitulé du projet : RHiPAR "les Réactivations Hippocampiques au Prisme de l'Apprentissage par Renforcement"

Instituts associés : INS2I, INSB

Benoît Girard est informaticien de formation, il travaille à l'Institut des systèmes intelligents et de robotique (ISIR - CNRS/Sorbonne Université). Une grande partie de son activité scientifique consiste pourtant à modéliser le cerveau. Depuis le début des années 2000, son collègue Mehdi Khamassi et lui s'intéressent en particulier à la manière dont les algorithmes d'intelligence artificielle conçus pour permettre à un agent artificiel d'apprendre par récompenses et punitions (l'apprentissage par renforcement) s'avèrent être également d'excellents modèles de la manière dont les vertébrés apprennent. C'est entre 2006 et 2008, au Laboratoire de Physiologie de la Perception et de l'Action du Professeur Berthoz, au Collège de France, qu'ils ont côtoyé Karim Benchenane, alors qu'une équipe du laboratoire commençait à travailler sur le rôle de l'activité nocturne du cerveau sur l'apprentissage. En effet, durant certaines phases du sommeil, le cerveau (et en particulier l'hippocampe) n'est pas inactif, il se réactive régulièrement de manière très similaire à son activité d'éveil. Karim Benchenane a montré le rôle de ces réactivations non seulement dans la consolidation de la mémoire, mais également dans l'apprentissage par renforcement, en induisant chez des souris l'apprentissage d'une récompense pourtant jamais rencontrée durant l'éveil, sur la seule base de stimulations intra-cérébrales pendant le sommeil. De nombreux algorithmes d'IA font également usage de réactivations pour améliorer leur apprentissage, ce sont ces liens potentiels entre réactivations neurales et algorithmiques qui seront explorés dans le projet, sur la base de nouvelles expériences animales, de leur modélisation et d'expérimentations robotiques visant à valider la robustesse des hypothèses biologiques.

À l’interface des grandes matrices aléatoires et de l’écologie théorique

Intitulé du projet : KARATE "Large Lotka-Volterra Systems: When Random Matrix Theory meets Theoretical Ecology"
Instituts associés :
INS2I, INSB

Jamal Najim est un spécialiste de la théorie des matrices aléatoires au Laboratoire d'Informatique Gaspard-Monge (LIGM - CNRS/Université Paris-Est Marne-la-Vallée/ESIEE Paris/École des Ponts ParisTech), domaine dans lequel il est actif depuis 15 ans, peu après son recrutement au CNRS en 2002. Il a en particulier longtemps étudié les problèmes à l'interface entre les communications numériques et les grandes matrices aléatoires, liés à l'analyse des performances des systèmes de télécommunications sans fil. Ses intérêts récents portent sur les modèles de grandes matrices non-hermitiennes.

François Massol est un spécialiste d'écologie théorique dans Evo-Eco-Paléo, travaillant en particulier sur des questions liées à la coexistence et la dynamique de réseaux d’espèces en interaction dans des écosystèmes spatialisés. Depuis son recrutement au CNRS en 2012, il a développé plusieurs projets de recherche sur cet axe thématique et s’intéresse aujourd’hui plus spécialement aux interactions symbiotiques.

Bien qu'utilisés couramment en écologie théorique (réseaux trophiques, écosystèmes spatialisés, analyse du microbiote), les grands systèmes de Lotka-Volterra continuent de soulever de nombreuses questions à la fois en écologie et en mathématiques : existence d'un équilibre faisable (à composante positive), conditions de stabilité, transition vers le chaos, convergence vers un sous-système stable et faisable, etc.

La théorie des grandes matrices aléatoires, en particulier non symétriques, ouvre des perspectives prometteuses pour aborder l'étude des grands systèmes de Lotka-Volterra et tenter de répondre aux nombreuses questions ouvertes en écologie théorique. L'état de l'art en la matière est embryonnaire et le présent projet se propose de développer la théorie des grandes matrices aléatoires nécessaire à l'étude des grands systèmes de Lotka-Volterra en écologie théorique. Ce projet nécessitera une coopération étroite entre spécialistes d'écologie théorique, et mathématiciens probabilistes. Les chercheurs espèrent que cette approche complétera l'éclairage apporté par les méthodes issues de la physique statistique.

Apprentissage statistique pour interpréter et prédire l’évolution humaine par la forme

Chafik Samir
Photo Chafik Samir

Intitulé du projet : Phylo-Formes3D "Gènes et Formes : modélisation de la phylogénie de formes 3D"
Instituts associés :
INS2I, INEE

Chafik Samir est spécialiste d’intelligence artificielle au sein du Laboratoire d’Informatique, de Modélisation et d’optimisation des Systèmes (LIMOS - CNRS/École des Mines de Saint-Étienne/Université Blaise Pascal/Université d’Auvergne). Il collabore avec José Braga du laboratoire AMIS sur le projet Phylo-Formes3D. Les deux partenaires cherchent à optimiser un modèle statistique par apprentissage qui serait capable de prédire les caractéristiques géométriques de formes clefs pour la compréhension de l'évolution humaine. Ainsi, la modélisation de l'évolution de la cochlée, avec sa structuration en spirale au sein de l'oreille interne, est au centre de ce projet. Il sera possible de prédire sa forme chez une espèce ancestrale inconnue à partir de la connaissance de sa position phylogénétique.

Pour faire face aux contraintes, les deux partenaires soulignent l’importance évolutive et physiologique de la forme cochléaire, la qualité de sa préservation dans les archives fossiles étant également un avantage. En effet, la plupart du temps, lorsque des vestiges crâniens fossiles sont conservés, le labyrinthe osseux (et donc la cochlée) est présent car bien protégé dans l’un des os les plus denses. Compte tenu de son signal phylogénétique assez fort, la forme de la cochlée peut être utilisée pour établir une échelle de similarité entre les espèces fossiles.