AUTOMATES CELLULAIRES

Carte mentale

Élargissez votre recherche dans Universalis

L'intelligence artificielle (I.A.), en proposant de concevoir des machines dotées de capacités de « raisonnement », constitue la première tentative pour implanter et étudier sur des médias artificiels certaines caractéristiques du monde vivant. Cet objectif trop ambitieux a conduit l'I.A. à un échec relatif. La vie artificielle (V.A.) suit une démarche plus réaliste et pragmatique ; elle propose de faire émerger des comportements de haut niveau à partir de règles simples définies au niveau le plus bas.

Christopher Langton propose d'aborder la V.A. comme « l'étude de systèmes construits par l'homme qui présentent des comportements caractéristiques des systèmes vivants naturels ». Cet énoncé soulève bien évidemment le difficile problème de la définition du concept de vie. Une réponse consisterait à énumérer les caractéristiques des systèmes vivants ; les propriétés le plus souvent proposées font référence à la capacité de se reproduire, contenir l'information nécessaire à sa reproduction, produire sa propre énergie, maintenir sa viabilité, évoluer, répondre aux stimuli, raisonner, ou encore mourir. Ces propriétés sont-elles suffisantes, nécessaires ? Il n'y a pas de réponse simple à ces questions. Paradoxalement, c'est l'absence même de définition de la vie qui offre une opportunité pour la V.A. Un objectif sera de définir ce qui permettrait de distinguer « la vie telle que nous la connaissons » de « la vie telle qu'elle pourrait être » et ainsi de participer à une meilleure compréhension des mécanismes biologiques. De plus, la V.A. ouvre un champ de recherche autonome qui se propose de rechercher des principes vitaux, indépendants de tout support physique et de concevoir des systèmes « vivants » sur des ordinateurs ou robots autonomes. Dans ce contexte, les automates cellulaires (A.C.) ont ouvert la voie et on peut les considérer comme une première approche pour concevoir des systèmes de V.A.

Les automates cellulaires sont des systèmes artificiels inspirés des systèmes naturels. Leurs composants élémentaires obéissent à des règles locales déterministes. Au-delà de leurs principes de conception, ils présentent des dynamiques complexes, et permettent l'émergence de structures et de capacités de calcul. Ces machines, conçues dès les années 1940, sont des précurseurs de l'approche « vie artificielle » initiée dans les années 1980 ; elles posent les fondements de la relation entre l'artificiel et le vivant.

Qu'est-ce qu'un automate cellulaire ?

Il est de coutume d'attribuer la paternité des automates cellulaires aux mathématiciens John von Neumann et Stanislas Ulam qui ont introduit et étudié ces automates dans les années 1940. La motivation d'Ulam était de générer dynamiquement des constructions graphiques en utilisant des règles d'évolution simples. Neumann, pour sa part, avait pour ambition de réaliser des systèmes dynamiques simples capables de modéliser les phénomènes complexes d'autoreproduction que l'on observe dans la nature. Ce n'est que bien plus tard, dans les années 1970, que les A.C. ont été vulgarisés par les travaux du mathématicien John Horton Conway avec le fameux « jeu de la vie ». Les automates unidimensionnels ont, pour leur part, été popularisés par Stephen Wolfram au milieu des années 1980. Depuis leur introduction, les A.C. sont devenus un champ d'étude pluridisciplinaire allant de la physique à la biologie en passant par l'informatique.

Un automate cellulaire est constitué de plusieurs cellules, unités fonctionnelles placées sur une grille. Cette conformation induit une topologie qui permet de donner un sens à la notion de voisinage. Une cellule est caractérisée par son état et il existe une « procédure de calcul local » qui permet de modifier au cours du temps l'état des cellules. En général, un état est représenté par une valeur scalaire et le nombre d'états possibles est fini ; de plus, le temps est discrétisé. Le changement d'état est spécifié par une règle de calcul élémentaire qui prend en compte l'état même de la cellule ainsi que celui des cellules voisines sur la grille. À partir de ce schéma général, on peut décliner différents types d'automates en choisissant la dimension de la grille, la forme du voisinage, le nombre d'états et, bien entendu, les règles de transitions. Parmi les A.C. bidimensionnels binaires, le jeu de la vie de Conway ne représente qu'un exemple parmi la multitude des règles admissibles. Comme il est difficile d'appréhender et d'étudier cet espace de possibilités, les travaux théoriques dans le domaine des A.C. sont plutôt focalisés sur les automates unidimensionnels. Ces derniers sont définis sur une grille linéaire formant un anneau. Le cas le plus simple est celui d'un automate à deux états et un voisinage de taille trois (une cellule et ses deux cellules adjacentes). Dans ce cas, une règle spécifie, pour chacune des 23 configurations locales de voisinage, le nouvel état binaire de la cellule ; il existe donc 256 règles de transition possibles (2 à la puissance 23 règles). Une règle peut ainsi être représentée par une chaîne binaire dont la longueur correspond au nombre de configurations.

Bien qu'essentiellement étudiés dans les laboratoires de recherches, les A.C. sont également appliqués à des situations réelles. Par exemple, ils servent à modéliser et simuler des phénomènes biologiques (propagation d'épidémies), écologiques (propagation de feux de forêt), chimiques (processus de réaction-diffusion) ou encore physiques (écoulement de fluide, modélisation du trafic urbain). Ils sont aussi employés pour le traitement et la synthèse d'images, la conception de composants informatiques, la cryptographie, etc. Cependant, la difficulté de trouver un A.C. réalisant un type de calcul donné limite de fait leur utilisation pour exécuter des procédures de traitement de l'information.

1  2  3  4  5
pour nos abonnés,
l’article se compose de 4 pages

Écrit par :

Classification

Autres références

«  AUTOMATES CELLULAIRES  » est également traité dans :

CONWAY JOHN HORTON (1937-2020)

  • Écrit par 
  • Bernard PIRE
  •  • 1 037 mots
  •  • 1 média

Chercheur profond dont les succès concernent de nombreux domaines mathématiques, le Britannique John Horton Conway était aussi un orateur et un vulgarisateur brillant dont les exposés ont captivé de larges publics. Amateur assidu de jeux tels que le backgammon ou le jeu de go, il est notamment connu pour ses travaux en théorie mathématique des jeux, et en particulier son invention de l’algorith […] Lire la suite

WOLFRAM STEPHEN (1959- )

  • Écrit par 
  • Anthony G. CRAINE, 
  • Universalis
  •  • 606 mots

Physicien britannique, né le 29 août 1959 à Londres. Fils d'un romancier et d'une professeur de philosophie à l'université d'Oxford, Stephen Wolfram étudie au collège d'Eton et n'a que quinze ans lorsque paraît son premier article scientifique. Il poursuit ses études à l'université d'Oxford, puis à l'Institut de technologie de Californie où il obtient un doctorat en physique théorique en 1979. Il […] Lire la suite

Voir aussi

Pour citer l’article

Philippe COLLARD, « AUTOMATES CELLULAIRES », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 25 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/automates-cellulaires/