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  1.   1.  Contexte
  2.   2.  Synchronisation
  3.   3.  Les lucioles
    1.   3.1  Modèle
    2.   3.2  Simulation
  4.   4.  Arduicioles
  5.   5.  Un adieu
  6.   6.  Références
  7.   7.  Remerciements aux acteurs et aux soutiens

1.  Contexte

Nous avons décidé pour la fête de la science 2015 d'offrir un peu de rêve au travers d'une installation scientifique que nous espérons spectaculaire et poétique. Cette performance habite le ciel de l'atrium de la bibliothèque de l'université du Havre. Si vous nous accompagnez vous serez plongés dans l'univers énigmatique des arduicioles qui sont des chimères faites d'Arduino et de leds se prenant pour des lucioles. Les bricoliciens de la faironnerie ABC, alvéole zéro, les laboratoires LITIS et LMAH et la bibliothèque universitaire sont les éleveurs attentifs de ces animaux électroniques.

Les lucioles qui habitent nos près sont capables de bioluminescence et clignotent dans la nuit. Certaines lucioles mâles comme Photinus carolinus émettent des signaux lumineux périodiques pour attirer les femelles. En observant des groupes de lucioles mâles, on peut constater qu’un phénomène de synchronisation se met en place, entraînant un alignement progressif de l’ensemble des signaux lumineux émis. Ces éléments d'observation vont conduire notre propos, nous allons donc essayer de comprendre et modéliser ce mécanisme de synchronisation et en donner une représentation à l'aide de nos arduicioles.

2.  Synchronisation

Vous avez sans doute déjà vécu des expériences de synchronisation. Rappelez vous votre dernier bon spectacle lorsque vous applaudissiez pour un bis. Vous battiez alors des mains en rythme avec vos voisins, vous pouvez donc vous considérer comme des spécialistes de la synchronisation. Z Néda et al [1] ont étudié les applaudissements et ils ont constaté que la synchronisation est favorisée par un ralentissement des battements et qu'elle tend à disparaître lorsqu'il y a augmentation de la fréquence.

Pour comprendre les choses abordons maintenant un aspect historique qui va nous offrir un éclairage important. À partir de la moitié du XVIIe siècle les océans étaient dominés par les navigateurs hollandais et anglais et pour se repérer ils mesuraient la latitude à l'aide d'un sextant ou avec les étoiles la nuit. Par contre la mesure de la longitude était très difficile car elle nécessitait une mesure du temps extrêmement précise (à l'équateur une erreur de 0,1 s correspond à 46 m). Jusqu'à Christian Huygens les horloges étaient peu précises. En 1657, il propose l'utilisation du balancier, et par la suite d'un double balancier, les horloges ainsi produites vont s'avérer beaucoup plus précises. Tout au long de sa vie il va tenter d'améliorer le procédé comme en 1675 par une montre à ressort spirale à balancier.


Dessin original de Huygens
sur son expérience
avec les horloges.

Source

À la fin de l'hiver 1665, Huygens tombe malade et reste au lit quelques jours. Face à lui, il y a deux pendules accrochées au mur. Il remarque alors que le mouvement des pendules était synchrone et en opposition de phase, c'est-à-dire que l'un d'eux se balançait vers la gauche quand l'autre allait vers la droite et ceci quelles que soient leurs positions de départ. Huygens nomma cet effet sympathie et l'explication qu'il en donne est que c'était dû à d'imperceptibles mouvements que les pendules transmettaient à leur support.

Nous avons des premiers éléments de compréhension : des oscillateurs et un couplage [6] . Un oscillateur à un comportement périodique, il fait en permanence la même chose, comme les métronomes que vous pouvez voir sur la vidéo ci-dessous.

http://www.youtube.com/watch?v=W1TMZASCR-I

Si on regarde attentivement, on constate que le couplage, la sympathie devrais je dire, se fait par l’intermédiaire de la planche. De nombreux exemples existent dans la nature comme certains grillons, mais également nos cellules cardiaques et les lucioles qui émettent des flashs de lumière qui vont maintenant être notre sujet.

3.  Les lucioles

Chez nos amies les lucioles, l’émission de lumière est provoquée par une réaction entre une protéine la luciférine et une enzyme la luciférase qui catalyse/favorise l’oxydation de la luciférine en présence d'oxygène. Cette oxydation fait passer la luciférine d'un état stable à un état électroniquement excité et instable. En retrouvant son état stable la luciférine émet un photon qui produit de la lumière [4] .


The fireflie time-lap,
Vincent Brady. Source (vidéo)

3.1  Modèle

Nous pouvons proposer un modèle relativement simple [5] , en définissant un oscillateur sous la forme d'une horloge et une méthode de synchronisation. Ainsi chaque luciole va avoir une horloge cyclique et émettre un flash pendant une certaine durée (durée_flash). Après chaque flash il y a un temps de latence pendant lesquelles les lucioles reconstituent les molécules (durée_charge). Chaque luciole perçoit un voisinage, lorsque le nombre de lucioles allumées est supérieur à un seuil et que la période de latence est finie, la luciole tente de se synchroniser en émettant également un flash (horloge:= 1). Cela nous donne l'algorithme suivant :

 Paramètres globaux :
 // Même période pour tous
 période
 // La luciole émet un flash quand son horloge individuelle 
 // est entre 0 et durée_flash - 1
 durée_flash
 // Le temps minimum entre 2 flashs
 durée_charge
 // Nombre de voisins devant être allumés pour déclencher un flash 
 seuil


 //Programme de chaque luciole :
 // initialisation aléatoire de l’horloge individuelle
 horloge := random(période)
 répéter à l'infini {
     horloge := horloge + 1
     si horloge = période
 	horloge := 0
     si (horloge > durée_flash + durée_charge) et (nombre_voisins_allumés() > seuil)
        {
         horloge := 1
         flash()
        }
     si horloge = 0 
	flash()
     si horloge = duree_flash
	arrêter_flash()}
 }

3.2  Simulation

Une simulation en NetLogo-3D a été réalisée. Une première avec des lucioles se déplaçant aléatoirement dans le volume et l'autre avec un comportement collectif de type boids.


Simulation en 3D des lucioles avec synchronisation

4.  Arduicioles

Elles sont constituées chacunes d'un ballon sonde gonflé à l'hélium qui leur donne des ailes, d'un microcontroleur arduino, d'une matrice de led et pour pouvoir discuter avec leurs voisines de modules XBee qui sont une solution pour transmettre des données sans fil, par ondes radio. C'est par cet intermédiaire qu'elles vont percevoir leur voisinage. Une batterie de téléphone portable alimente le tout et un boitier réalisé avec une imprimante 3D permet de mettre cela ensemble. Si vous êtes curieux vous pouvez toujours aller voir ici pour plus de détail et aussi sur le dépôt git.

Le lâché d'arduicioles a eu lieu le mercredi 7 octobre 2015.

http://www.youtube.com/watch?v=Iq1S8gatdzE

5.  Un adieu

Avant de s'endormir pour de bon, les arduicioles vous proposent une dernière ballade, en retournant quelques instants sur ces jours éphémères qu'elles ont eu le plaisir de vivre grâce à nous tous.

http://www.youtube.com/watch?v=blJ4b9YZLMo

Un grand merci à Rémi pour la musique qui l'accompagne.

6.  Références

[1] Self-organizing processes: The sound of many hands clapping. Z Néda, E Ravasz, Y Brechet, T Vicsek, A Barabási. Nature 403 (6772), 849-850 [retour]
[2] Visuel pour la présentation lors de la fête de la science 2015. Les bricoliciens. Hôtel de ville du Havre. Octobre 2015. [retour] (Utiliser chromium/chrome)
[3] Texte accompagnant le visuel de la présentation lors de la fête de la science 2015. Les bricoliciens. Hôtel de ville du Havre. Octobre 2015.[retour]
[4] Lampyridae. Des êtres vivants capables de bioluminescence. Les bricoliciens. Hôtel de ville du Havre. Octobre 2015.[retour]
[5] Partagez notre rêve. Les bricoliciens. Hôtel de ville du Havre. Octobre 2015.[retour]
[6] Synchronisation. Les bricoliciens. Hôtel de ville du Havre. Octobre 2015.[retour]

7.  Remerciements aux acteurs et aux soutiens

Cette aventure a nécessité des têtes, de la main d’œuvre et des moyens et comme d'habitude il y a des oublis. Toutes nos excuses à alvéole zéro qui a été un acteur majeur. Merci à tous.