Un assistant intelligent pour les astronautes

Crédit : DLR-ESA-NASA / YouTube

Les astronautes européens à bord de la Station spatiale internationale peuvent profiter depuis 2018 d’un compagnon d’un nouveau genre : Cimon, un assistant volant en forme de sphère, piloté avec de l’IA.

[Article initialement publié sur le site internet de la revue Air & Cosmos]

Le concept.

Cimon (Crew Interactive MObile CompanioN – Compagnon mobile interactif d’équipage) est un projet d’interaction Homme-Machine développé depuis une vingtaine d’années par l’Agence aérospatiale allemande (DLR).

Plus performant qu’un assistant personnel intelligent du type Alexa, commercialisé par Amazon, Cimon est capable de voir, entendre, comprendre et parler. Ainsi, il doit assister les astronautes européens qui séjournent à bord de la Station spatiale internationale, et dont il reconnait la voix et le visage.

Il s’agit d’abord d’afficher et d’expliquer des informations utiles à des tâches de routine ou répétitives (expériences scientifiques, recherche d’objets, inventaire voire réparations), puis d’aider à des opérations de plus en plus complexes, grâce aux données récoltées au cours de ses utilisations. Les astronautes ont également la possibilité d’activer l’analyse linguistique des émotions, qui permet à l’assistant de faire preuve d’empathie face à son interlocuteur.

Cimon constitue ainsi une base possible pour le développement de systèmes d’aide sociaux, capables de réduire le stress lié à l’isolement ou aux dynamiques de groupe – et éventuellement de contribuer à atténuer ce type de problèmes sur Terre.

Mais l’auto-apprentissage ayant été exclu, Cimon doit être entraîné activement par un humain.

Son nom évoque celui du professeur Simon Wright de la série d’animation japonaise Capitaine Flam, dont le cerveau est implanté dans un robot volant.

Equipements.

D’une masse d’environ 5 kg, Cimon comporte une enveloppe et certains composants réalisés en impression 3D.

L’assistant est équipé de quatre caméras : une caméra stéréo pour l’orientation (ses « yeux »), une caméra haute résolution pour la reconnaissance des objets et deux caméras latérales pour les photos et la documentation vidéo (Cimon peut également être utilisé comme une caméra mobile).

Ses « oreilles » sont constituées de 8 microphones (pour la reconnaissance des directions) et d’un microphone directionnel (pour la reconnaissance vocale).

Sa « bouche » est un haut-parleur qui permet de parler et de diffuser de la musique.

Un écran LCD permet d’afficher toutes sortes d’informations, en plus d’un « visage » souriant.

A l’aide de ses rotors internes, Cimon se déplace et tourne dans toutes les directions, de manière autonome ou sur commande. Il peut dès lors se retourner vers la personne qui lui adresse la parole, secouer ou hocher la « tête ».

Des capteurs à ultrasons mesurent par ailleurs les distances et détectent les obstacles.

Enfin, Cimon (qui fonctionne sous Linux Ubuntu) utilise trois types d’intelligence artificielle : une pour la navigation autonome et la planification des mouvements, une pour la reconnaissance des objets, et une pour dialoguer (en anglais et en allemand).

Organisation industrielle.

La construction d’un premier prototype, Cimon-1, a démarré en août 2016, et a mobilisé durant environ deux ans une équipe de projet d’une cinquantaine de personnes.

Airbus, qui s’est vu confier la fourniture de robots pouvant assister des astronautes ESA lors de quatre missions à bord de l’ISS, a impliqué ses centres allemands de Friedrichshafen et de Brême.

L’industriel a créé l’intelligence artificielle de navigation autonome servant à planifier les mouvements et à détecter les objets, tandis qu’en matière de compréhension du langage, l’élément central de l’IA est la technologie Watson d’IBM Cloud à commande vocale.

Sont également impliqués l’hôpital universitaire Ludwig-Maximilians de Munich, et le centre d’assistance aux utilisateurs Biotesc de l’Agence spatiale européenne, basé à l’Université des sciences appliquées et des arts de Lucerne, en Suisse. L’expérience bénéficie d’un financement du DLR et du ministère fédéral des affaires économiques et de l’énergie (BMWi).

Premières utilisations en micropesanteur.

Durant plusieurs semaines, à l’aide de photos et d’enregistrements audio, l’équipe projet a « appris » à Cimon-1 à reconnaître le visage et la voix de l’astronaute allemand Alexander Gerst, son premier opérateur sur orbite. Pour sa part, l’astronaute a participé au choix du visage et de la voix de son compagnon, pour renforcer leur « complicité ».

Cimon-1 a d’abord participé à une campagne de vols paraboliques à bord de l’Airbus A310 zéro g de Novespace, pour validation durant une journée (30 paraboles), avant d’être expédié vers l’ISS le 29 juin 2018, à l’aide du ravitailleur Dragon CRS 15.

La première démonstration technologique sur orbite de l’assistant a été réalisée cinq mois plus tard, le 15 novembre 2018, par Alexander Gerst, lors de la mission Horizon. Cimon-1 a été mis en service durant 90 minutes, devenant le premier robot autonome européen dans le domaine du vol spatial habité – d’autres robots ont déjà été embarqués à bord de l’ISS, mais Cimon-1 se montre plus intelligent qu’eux.

Déclaré patrimoine culturel de l’Allemagne, l’assistant a été rapatrié sur Terre le 27 août 2019 à bord du Dragon CRS 18, et est aujourd’hui exposé au Musée de la communication de Nuremberg.

Construit en moins d’un an par une vingtaine de personnes, un second exemplaire de Cimon a été expédié vers l’ISS le 5 décembre 2019, à l’aide du Dragon CRS 19.

Par rapport à son prédécesseur, Cimon-2 est plus puissant, plus autonome (d’environ 30%), moins gourmand en énergie, et équipé d’un microphone plus sensible.

En février 2020, lors de la mission Beyond, l’astronaute italien Luca Parmitano l’a manipulé durant une journée, avec la même configuration. Au cours de cette première utilisation opérationnelle, Cimon-2 a fait la démonstration de ses capacités de vol autonome, de son système de navigation à commande vocale, de sa compréhension et de sa capacité à réaliser des tâches variées.

Le démonstrateur a rejoint pour la première fois avec succès un point spécifique, après que Luca Parmitano lui ait demandé de se rendre vers le rack d’expériences biologiques Biolab du module Columbus de l’ISS.

Cimon-2 a également été chargé de réaliser sur commande vocale des photos et des vidéos au sein du module européen, puis de les montrer à l’astronaute.

Cimon en mars dernier à bord de l’ISS aux côtés du système robotique en vol libre Astrobee de la Nasa.
Crédit : K. Barron / NASA

Cimon en mars dernier à bord de l’ISS aux côtés du système robotique en vol libre Astrobee de la Nasa.

Crédit : K. Barron / NASA

Activités opérationnelles, scientifiques et pédagogiques.

Deux autres astronautes européens ont également manipulé Cimon-2 : l’Allemand Mathias Maurer lors de la mission Cosmic Kiss, puis l’Italienne Samantha Cristoforetti lors de la mission Minerva. Plusieurs astronautes américains ont également participé aux essais des démonstrateurs Cimon depuis quatre ans, et ont fait des retours à l’équipe projet.

Pour Matthias Maurer, ce ne sont pas moins de neuf séances de travail qui ont été programmées. Les sessions étaient généralement étalées sur trois jours, déploiement du matériel, utilisation et rangement compris.

Recevant de nouveaux logiciels lors la mission Cosmic Kiss, Cimon-2 a pu réaliser de nouvelles procédures scientifiques et s’adapter aux nouvelles normes de sécurité.

Mathias Maurer a ainsi mené l’étude pilote Human interaction with AI and Cimon (Interaction humaine avec l’IA et Cimon), axée sur l’utilisation opérationnelle et scientifique de l’appareil. C’était la première fois qu’une procédure expérimentale complète était ainsi guidée et documentée, selon les souhaits de scientifiques ou d’un astronaute interagissant avec la machine.

Cimon-2 a également participé à des activités éducatives, telles qu’une séance de réponses à des questions d’écoliers allemands et une visite guidée de l’ISS en allemand. L’expérience 3D kinetic gas theory (Théorie cinétique des gaz en 3D) a été l’occasion d’expliquer les propriétés des gaz.

Actuellement à l’étude, Cimon-3 pourrait servir de support aux équipages en partance vers la Lune ou Mars. Il pourrait servir à la détection du stress des astronautes, à la détection d’anomalies lors de la mission, et être un partenaire dans les discussions consacrées aux solutions envisagées…

Pierre-François Mouriaux et Olivier Sautret