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NERGIE

 

 

 

 

 

 

 

ÉNERGIE

Nous sommes tous entourés d'énergie : dans notre corps, notre maison, notre environnement... Elle est là, dans notre quotidien. Qu'est-ce que l'énergie ? Quelles sont les différentes formes de l'énergie ? Ses sources ? Que signifient les expressions "énergies primaires", "énergies secondaires", "énergies renouvelables", "énergies non-renouvelables", "énergies fossiles" ?

QU'EST-CE QUE L'ÉNERGIE ?
Le mot « énergie » vient du Grec Ancien « énergéia », qui signifie « La force en action ». Ce concept scientifique est apparu avec Aristote et a fortement évolué au cours du temps. Aujourd’hui, l’énergie désigne  « la capacité à effectuer des transformations ». Par exemple, l’énergie c’est ce qui permet de fournir du travail, de produire un mouvement, de modifier la température ou de changer l’état de la matière. Toute action humaine requiert de l’énergie : le fait de se déplacer, de se chauffer, de fabriquer des objets et même de vivre.


L’énergie est partout présente autour de nous : dans la rivière qui fait tourner la roue du moulin, dans le moteur d’une voiture, dans l’eau de la casserole que l’on chauffe, dans la force du vent qui fait tourner les éoliennes… et même dans notre corps humain.

Une énergie de qualité
Toutes les formes d’énergie n’ont pas la même « valeur ». Dans les machines, on distingue classiquement l’énergie mécanique, ou travail, de l’énergie thermique, ou chaleur. La première est beaucoup plus utile que la seconde. C’est elle qui permet de déplacer les objets ou de les déformer.
De son côté, la chaleur a tendance à se diluer dans la matière et seule une petite partie peut être transformée en énergie mécanique. C’est ce qui fait qu’une centrale électrique n’arrive à transformer qu’un tiers de la chaleur de son feu de charbon ou de ses fissions nucléaires en électricité, le reste étant inutilisable et rejeté à l’extérieur.

LES DIFFÉRENTES FORMES D'ÉNERGIE
L’énergie peut exister sous plusieurs formes. Parmi les principales :
*         L’énergie thermique, qui génère de la chaleur ;
*         L’énergie électrique ou électricité, qui fait circuler les particules – électrons - dans les fils électriques ;
*         L’énergie mécanique, qui permet de déplacer des objets ;
*         L’énergie chimique, qui lie les atomes dans les molécules ;
*         L’énergie de rayonnement ou lumineuse, qui génère de la lumière ;
*         L’énergie musculaire qui fait bouger les muscles.


Conservation de l'énergie
L’énergie se conserve. La quantité totale d'énergie dans un système donné ne change pas, on ne peut donc ni la créer, ni la détruire. L'énergie est transmise d'un élément vers un autre, souvent sous une forme différente.
Un exemple : quand on chauffe de l'eau, différentes transformations d’énergie ont lieu. En brûlant dans l’air, le bois libère son énergie chimique. Cette énergie se transforme en chaleur, l’énergie thermique, et en lumière, l’énergie de rayonnement. Lors de cette réaction, la quantité d'énergie totale ne change pas, elle change simplement de forme.
Un autre exemple : lorsqu’une voiture fonctionne, l’essence libère son énergie chimique en brûlant dans l’air. Elle chauffe le moteur et pousse les pistons (énergie thermique et énergie mécanique). Les pistons font tourner le moteur et les roues, transfert d’énergie mécanique, et la voiture se déplace (énergie cinétique). Au passage, la courroie fait tourner l’alternateur qui transforme une petite partie de l’énergie mécanique en électricité qui sera stockée dans la batterie.


LES SOURCES D'ÉNERGIE
L’énergie est issue de différentes sources d’énergie qui peuvent être classifiées en deux groupes : les énergies non renouvelables, dont les sources ont des stocks sur Terre limités et les énergies renouvelables qui dépendent d’éléments que la nature renouvelle en permanence.

Les diverses sources d'énergie

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Qu'est-ce qu'une énergie intermittente ?
Une énergie intermittente est une énergie pour laquelle les sources ne sont pas disponibles en permanence et dont la disponibilité varie fortement sans possibilité de contrôle. Les énergies solaire et éolienne sont définies comme intermittentes car leur efficacité varie en fonction de la météo et de paramètres extérieurs (jour/nuit).
Pour pallier à cette intermittence, il est nécessaire de stocker ces énergies. Le développement de technologies de stockage est un enjeu important de recherche et développement. 
Pour plus d’informations sur le stockage de l’énergie, consultez notre dossier « l’essentiel sur… le stockage stationnaire de l’énergie ».

Les sources d'énergie non renouvelables
Énergies fossiles
Dans les énergies non renouvelables, on trouve les énergies dites fossiles : ce sont les résidus des matières végétales et organiques accumulés sous terre pendant des centaines de millions d’années. Ces résidus se transforment en hydrocarbure (pétrole, gaz naturel et de schiste, charbon…). Pour pouvoir les exploiter, il faut puiser dans ces ressources qui ne sont pas illimitées, c’est pourquoi les énergies fossiles ne sont pas renouvelables.

Énergie nucléaire
L’énergie nucléaire est « localisée » dans le noyau des atomes. Dans les centrales nucléaires actuelles, on utilise la fission (cassure) des noyaux d’uranium, élément que l’on retrouve sur Terre dans les mines. Les mines d’uranium s’épuiseront un jour tout comme le charbon, le gaz et le pétrole.
Au rythme de l’utilisation des ressources actuellement exploitées, on estime les réserves de pétrole à 40 ans, de gaz naturel conventionnel à 60 ans et de charbon à 120 ans. Les réserves d’uranium, combustible de l’énergie nucléaire, à 100 ans avec les réacteurs actuels.
Le saviez-vous ?
L’énergie nucléaire a un excellent bilan carbone : elle ne génère pas de CO2. Cependant, la production d’électricité avec le nucléaire génère des déchets radioactifs, dont la gestion spécifique est encadrée par la Loi.

Les sources d'énergies renouvelables
Le soleil, le vent, l’eau, la biomasse et la géothermie sont des sources qui ne s’épuisent pas et sont renouvelées en permanence.
Biomasse et géothermie : quelles différences ?
La biomasse et la géothermie sont deux sources d’énergies bien distinctes.
La géothermie est l’énergie générée par la chaleur des profondeurs de la Terre et sa radioactivité. Le mot « géothermie » vient du grec « geo » (la terre) et « thermos » (la chaleur). On l’exploite pour chauffer des habitations grâce à des forages légers.
La biomasse a, quant à elle, pour source le Soleil dont l’énergie de rayonnement est transformée en énergie chimique par les matières organiques d’origine végétale (bois), animale, bactérienne ou fongique (champignons). Il existe des centrales « biomasse » qui produisent de l’électricité avec la combustion de matières organiques.
Parmi toutes ces sources d’énergie, on distingue les énergies primaires des énergies secondaires.

Énergie primaire
Une énergie primaire est une énergie brute n’ayant pas subi de transformation, dont la source se trouve à l’état pur dans l’environnement. Le vent, le Soleil, l’eau, la biomasse, la géothermie, le pétrole, le charbon, le gaz ou l’uranium sont des sources d’énergies primaires.
Énergie secondaire
On appelle « énergie secondaire » une énergie qui est obtenue par la transformation d’une énergie primaire.
Par exemple, l’électricité est une énergie secondaire qu’on obtient à partir de plusieurs énergies primaires : l’énergie solaire avec des panneaux, l’énergie nucléaire avec des réacteurs, l’énergie hydraulique avec des barrages ou encore l’énergie du vent avec des éoliennes. Il n’existe pas d’électricité à l’état naturel.
L’essence, le gasoil et les biocarburants sont également des énergies secondaires ; on les obtient par la transformation du pétrole, qui lui, est brut ou de la biomasse. L’hydrogène, qui n'existe pas à l'état pur, est également une énergie chimique secondaire car il faut le produire.

La domestication des sources d'énergie au fil du temps
La maîtrise des sources d’énergie par l’Homme remonte à 400 000 ans av. J-C. A l’époque, l’Homme apprend à maîtriser le feu. Puis, plus tard, il apprend à maîtriser le vent, l’eau avec des moulins….
Avec l’ère industrielle, l’Homme commence à exploiter des ressources fossiles (charbon, puis pétrole et gaz) et à développer des machines qui vont changer son mode de vie. Depuis, les besoins en énergie n’ont cessé d’augmenter.

En chiffres
81 % des besoins mondiaux en énergie primaire sont actuellement comblés par le pétrole, le charbon et le gaz.
Source : Données 2019 de l'Agence internationale de l'énergie
Énergie et puissance
On mesure l’énergie à l’aide d’une unité particulière nommée le joule. Son nom vient du physicien anglais James Prescott Joule. Un joule représente par exemple l'énergie requise pour élever une pomme de 100 grammes d'un mètre ou encore l'énergie nécessaire pour élever la température d'un gramme (un litre) d'air sec de un degré Celsius.
Dans le domaine de la nutrition, c’est la kilocalorie qui est utilisée. 1 kilocalorie équivaut à 4,2 kilojoules. Pour évaluer l’énergie utilisée sur une année, on utilise généralement la tonne équivalent pétrole, tep.
1 tep est égale à 41 868 000 000 joules.
La puissance correspond, quant à elle, à la vitesse à laquelle l'énergie est délivrée. Elle se mesure en watt, ce qui correspond à un joule par seconde.
Par exemple, si pour faire bouillir un litre d’eau, on utilise d’un côté une flamme d’un gros feu de bois et de l’autre, la flamme d’une bougie : dans les deux cas, la même quantité d’énergie sera utilisée pour faire bouillir l’eau. Seulement, ce sera fait plus rapidement avec un feu qu’avec une bougie. L'énergie est dégagée plus rapidement avec le feu de bois qu'avec la flamme de la bougie. Le feu de bois est donc plus puissant que la flamme de la bougie.

UTILISATION DES ÉNERGIES EN FRANCE ET ENVIRONNEMENT
L’énergie, en France, est surtout utilisée pour le transport, l’habitat (chauffage), l’industrie, le tertiaire et l’agriculture.
En chiffres

 
En 2019, un Français a en moyenne consommé 30 fois plus d’énergie qu’un habitant d’Afrique de l’Est.
Source : Connaissance des Énergies, d'après BP Statistical Review of World Energy
Bien que la dépendance énergétique de la France se soit réduite depuis 1973 grâce à la construction du parc nucléaire, son mix énergétique dépend encore fortement des énergies fossiles qui couvrent près de 50 % de la consommation d’énergie primaire. A eux seuls, le transport et l’habitat représentent en France près de 80 % de la consommation finale. Le bâtiment dépend à plus de 50 % [2] des combustibles fossiles et le transport à 95 % du pétrole. Ces deux secteurs sont à l’origine de plus de 50 % des émissions de CO2, l’un des principaux gaz à effet de serre.
Ces émissions impactent directement le climat en contribuant au réchauffement climatique. Face à ce défi climatique majeur, il devient indispensable de disposer de sources d’énergie à la fois compétitives et bas carbone (faiblement émettrices de gaz à effet de serre) et de faire évoluer le mix énergétique de la France.


Les défis énergétiques
Toute action humaine requiert de l’énergie. Depuis toujours, l’Homme a cherché à accéder à des sources d’énergie abondantes et peu chères pour satisfaire ses besoins. Mais depuis le début de la révolution industrielle, la société moderne utilise sans compter de l’énergie provenant de sources, qui sont, pour la plupart, non renouvelables. Conséquence, les ressources s’épuisent et la quantité d’émission de gaz à effet de serre dans l’atmosphère, issue de l’exploitation des ressources fossiles, menace le climat. Face à ces réalités, il devient nécessaire de :
*         Mieux gérer l’utilisation des énergies en faisant notamment moins de gaspillage ;
*         Repenser notre mix énergétique en utilisant des sources d’énergie bas carbone tels que le nucléaire et les énergies renouvelables ;
*         Améliorer les technologies de stockage de l’énergie (batteries, hydrogène) ;
*         Continuer à travailler sur les énergies du futur : nucléaire du futur (fission et fusion nucléaire), solaire, éolien, bioénergies.

 

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LE NANOMONDE

 

 

 

 

 

 

 

LE NANOMONDE

Pour un développement citoyen

Les usages et les impacts des nanotechnologies font l’objet de nombreuses études portant sur la maîtrise des risques potentiels.
Publié le 1 juillet 2012

LES NANOTECHNOLOGIES : DES APPLICATIONS DANS TOUS LES DOMAINES

Les nanotechnologies devraient permettre de créer des objets rendant plus de services en utilisant moins de matière première et d’énergie. Elles pourraient ainsi amoindrir l’impact environnemental de certaines industries (comme celles liées à l’énergie) ou activités (comme les transports ou les technologies de l’information).
Parallèlement à leur apport dans le domaine des nouvelles technologies de l’énergie, elles contribueront à diminuer la consommation d’énergie en améliorant le rendement énergétique d’objets courants. Ainsi, citons des matériaux plus légers et résistants utilisés pour les véhicules, le remplacement des lampes à incandescence par des diodes électroluminescentes (beaucoup moins gourmandes en électricité), le remplacement des écrans cathodiques par des systèmes à cristaux liquides (dix fois moins consommateurs)… Enfin, un des enjeux, et non des moindres, est de développer des composants nanoélectroniques faible consommation pour des systèmes de calcul efficaces énergétiquement ; 13 % de l’électricité mondiale est aujourd’hui consacrée à ce secteur !
Les nanotechnologies peuvent contribuer à la détection des pollutions : des nano-capteurs fiables, rapides et peu onéreux permettront de traquer toutes sortes de molécules organiques ou minérales indésirables dans l'eau, l'air ou le sol. Une fois détectées, il faut remédier à ces pollutions ; qu'il s'agisse du traitement des eaux ou de la conception de nouveaux catalyseurs pour emprisonner les nanoparticules des fumées des moteurs d'automobiles, des réacteurs d'avions, des cheminées d'usines…

La diffusion des rayons X aux petits angles permet de caractériser l’organisation spatiale des nanoparticules et leur agrégation, éléments fondamentaux dans la compréhension des mécanismes de toxicologie. © C.Dupont/CEA

Un panel international de spécialistes a listé les dix applications des nanotechnologies jugées comme les plus intéressantes pour les pays en voie de développement : énergie (nouvelles cellules solaires et piles à combustible), agriculture (nanofertilisants), traitement de l'eau (filtration, décontamination, désalinisation), diagnostic médical, délivrance de médicaments, emballage et stockage des aliments, remédiation de la pollution atmosphérique, matériaux de construction, suivi de paramètres biologiques (glycémie, cholestérol), détection des insectes nuisibles et des vecteurs de maladies. Certaines d'entre elles ne sont pas trop compliquées, chères ou demandeuses d'infrastructures et peuvent être développées sur place. L'Inde, le Brésil ou la Chine y consacrent des investissements importants, et de nombreux autres pays, qui possèdent déjà une infrastructure universitaire et industrielle, comme l'Afrique du Sud, la Thaïlande ou l'Argentine font également de la recherche en nanotechnologies.

Des recherches en toxicologie évaluent les dangers réels ou supposés des nanotechnologies.

RISQUES POTENTIELS
La notion de risque lié aux nanotechnologies comporte deux aspects : le danger (issu de la toxicité) et l’exposition. Les recherches en toxicologie sont là pour évaluer les dangers réels ou supposés.
L'étude de la pollution urbaine recherche son impact sur la santé humaine, notamment les effets des particules ultrafines émises par les véhicules diesel. Sur le même schéma, d'autres études qui font état d'interactions entre nanoparticules et cellules incitent à la prudence en cas d’inhalation, de pénétration par voie cutanée ou digestive. Une démarche d’anticipation est donc mise en place.
Dans les ateliers de production et de mise en œuvre, si les nanoparticules sont constituées de matière toxique (métaux lourds par exemple), elles peuvent exposer les hommes aux mêmes risques que sous forme macroscopique. Un risque potentiel supplémentaire est lié aux propriétés spécifiques des nanoparticules : surface multipliée, réactivité chimique… Des recherches sont donc menées actuellement pour étudier le devenir des nanoparticules et nanofibres si elles étaient inhalées. Les bonnes pratiques de travail sont très similaires à celles recommandées pour tout produit chimique dangereux, mais elles revêtent une importance particulière en raison de la grande capacité de diffusion des nano-objets dans l'atmosphère. Dans le milieu industriel, il faut concevoir des procédés qui minimisent les étapes d’exposition potentielles, par exemple en réalisant la collecte des nano-objets en phase liquide afin de garantir leur non-diffusion en cas d’incident. Il faut aussi veiller à automatiser les étapes du procédé, capter les polluants à la source, filtrer l'air des locaux avant rejet dans l'atmosphère, et équiper individuellement chaque travailleur d'une protection respiratoire et cutanée.
Dans le cas du consommateur, il s’agit d’éviter qu’il soit mis en contact avec un produit potentiellement dangereux. Ainsi, tout est mis en œuvre pour que les produits grand public ne contiennent pas de nanoparticules libres et pour éviter qu’un produit n’en génère, par exemple lorsqu’il vieillit ou se dégrade.
Des questions se posent sur les effets potentiels des nanoparticules manufacturées dans l’environnement (comportement, mécanismes de dégradation) et l’impact de leur dispersion sur les écosystèmes (danger éventuel pour certaines espèces). Des recherches visant à étudier leur écotoxicité sont mises en place.
De nombreux états, comme les États-Unis et la France, se mobilisent pour évaluer et maîtriser les risques liés aux nanoparticules et leurs effets secondaires éventuels ; prenant en compte leurs caractéristiques, leurs possibles voies de contamination, les moyens de protection, les moyens de production, le comportement des nanoparticules dans l’environnement…

En Europe, le CEA s’est associé en 2005 avec des partenaires R&D de l’industrie chimique et technologique pour constituer un « projet intégré » baptisé Nanosafe 2. Ce projet se décompose en quatre axes de développement :
*         technologies de détection et de caractérisation des nanoparticules dès l’étape de production ;
*        
*         réseau international pour constituer une base de données sur les effets des nanoparticules sur l’organisme et l’environnement ;
*        
*         filières industrielles entièrement intégrées, dont l’objectif est de produire sans mettre en contact le précurseur de la nanoparticule (aérosol, gaz, liquide) et le composant final ;
*        
*         études d’analyses du cycle de vie et de filières de recyclage, afin de maîtriser les effets sur la santé et l’environnement, en association avec la Commission européenne de normalisation.
*
Des structures d'études
pour les nanos au CEA
*         OMNT : Observatoire des micro et nanotechnologies
La mission de cet observatoire, lancé en 2005 à l’initiative du CEA et du CNRS, consiste à réaliser en continu une veille scientifique et technologique dans le domaine des micro- et nanotechnologies. Il s’appuie pour ce faire sur un réseau de plus de 230 experts français et européens. Ainsi, il peut informer les organismes et ministères concernés et fournir aux industriels une information pertinente et actualisée.

*         LARSIM : Laboratoire des recherches sur les sciences de la matière
Le LARSIM a vu le jour au sein du CEA en 2007. Premier laboratoire du CEA dédié à la philosophie des sciences, le LARSIM a pour but d’étudier et de mieux faire comprendre les enjeux de la recherche scientifique contemporaine. Parallèlement à son travail sur la place de la science dans la société, le LARSIM mène un programme de recherche en fondements de la physique.

Pour la première fois, les répercussions sanitaires, environnementales et sociales sont considérées et étudiées parallèlement au développement des technologies et à la mise en place de méthodes sûres de production des nanoparticules. Cette simultanéité devrait permettre l’anticipation et la maîtrise des risques potentiels associés et faire évoluer des réglementations spécifiques en fonction des progrès des connaissances et des recherches en cours.

QUESTIONS ÉTHIQUES POSÉES PAR LES NANOSCIENCES ET LES NANOTECHNOLOGIES

Par rapport à la problématique des nanotechnologies, la réflexion éthique dépasse les limites de la pure déontologie, définie comme un ensemble de comportements et de règles professionnelles. L’éthique analyse les changements que la recherche scientifique introduit dans le monde, les responsabilités des chercheurs vis-à-vis de la société et les réactions que suscitent en son sein les nouveautés techniques. L’excellence scientifique et l’innovation doivent être accompagnées des mesures de précaution correspondant aux incertitudes sur les nouveaux produits issus des nanotechnologies. S’ils souhaitent assurer l’acceptabilité des fruits de leurs recherches, les chercheurs sont tenus à prendre en considération les intérêts des différents acteurs. De multiples rapports tentent ainsi d’évaluer les impacts potentiels des nanotechnologies sur la société, par exemple, le rapport britannique « Nano­sciences et nanotechnologies : opportunités et incertitudes » réalisé en 2004.
Il recommande d’appliquer le principe de précaution, tout comme le rapport du Comité de la prévention et de la précaution français en 2006, suivi par celui de l’Agence française de sécurité sanitaire et de l’environnement au travail. L’Office parlementaire d’évaluation des choix scientifiques et technologiques a organisé plusieurs concertations sur les nanotechnologies et établi un rapport « Nanosciences et progrès médical », incitant à mener les recherches sur les nano­sciences et nanotechnologies en parallèle avec celles sur les risques et impacts éventuels.

Depuis 2005, la Commission européenne a lancé un Plan stratégique européen afin de mener une réflexion approfondie sur les risques, les usages et les impacts des nanotechnologies. Mi-2007, elle a proposé l’adoption d’un code de conduite sur le même sujet, qui a été publié en février 2008. La Commission a également mis en place en mars 2008 le nouvel Observatoire européen des nanotechnologies.Pour la France, cet observatoire s’appuiera sur l’OMNT et le LARSIM.

 

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neurone formel

 

 

 

 

 

 

 

neurone formel

Consulter aussi dans le dictionnaire : neurone
Un réseau de neurones formels est un dispositif constitué d'un grand nombre de processeurs simples, fonctionnant en parallèle selon des architectures diverses et fortement interconnectés, à l'instar des neurones du cerveau.

DU SYSTÈME NERVEUX HUMAIN AUX RÉSEAUX DE NEURONES ARTIFICIELS
Comment concevoir qu'un être vivant soit capable de lire ? Calcule-t-il plus vite qu'un ordinateur ? A-t-il une plus grande mémoire ? Est-il mieux « programmé » ? Et, finalement, est-il comparable à une machine ? Ces questions sont au cœur d'une nouvelle technique du traitement de l'information dénommée « réseaux de neurones artificiels », ou « réseaux neuronaux ». Elle cherche à comprendre le fonctionnement intime du système clé des êtres vivants : le système nerveux.
Les mots que vous lisez s'adressent à un être vivant, fruit de plusieurs millions d'années d'évolution, et capable de les comprendre. Il est doté de la vision et peut ainsi recevoir l'image des mots. Dans le noir, malgré toute son intelligence, il ne recevrait pas ce message. De cette image projetée sur sa rétine, il conçoit un sens : quelqu'un s'adresse à lui. Le texte que moi, l'auteur, j'ai écrit s'adresse à vous, le lecteur.
Tout cela n'a pris que quelques secondes. Quelques secondes pour voir, pour analyser, pour prendre conscience de l'existence de deux personnes qui ne se connaissent pas mais qui, sans doute possible, existent ou ont existé. Quelques secondes durant lesquelles, dans votre cerveau, des milliards de cellules nerveuses ont émis des signaux en cadence.
Ce petit événement, si banal pour un être vivant, est parfaitement inaccessible au plus performant des instruments contemporains de traitement de l'information : l'ordinateur. Cet objet, pourtant capable d'assurer des millions de réservations d'avion, de contrôler la trajectoire d'une navette spatiale ou de construire des mondes virtuels, reste muet devant ce simple exercice de lecture. Il est incapable de dégager un sens de ce qui est écrit ; il n'a pas conscience de lui-même, pas d'identité, pas de connaissance d'autrui. En somme, c'est un assemblage inerte très compliqué, qui est et qui reste une machine.

LES FONCTIONS DU SYSTÈME NERVEUX
LE TRAITEMENT DE L'INFORMATION
En général, un être vivant traite des informations de nature variable. Un virus, par exemple, lorsqu'il attaque un organisme, déclenche la réponse du système immunitaire. La chasse au virus qui s'engage alors fait appel à la mémoire du système immunitaire pour produire les anticorps les plus adaptés à la destruction du virus : c'est un traitement d'informations. Le cerveau n'a pas grand-chose à faire dans cette lutte vitale, en tout état de cause rien qui fasse intervenir la volonté. En revanche, pour voir un fruit dans un arbre, pour entendre le bruit d'un moteur de voiture ou ressentir la douceur de la soie, il faut à la fois des organes sensoriels qui captent les signaux émis par les objets et un dispositif capable de les interpréter. C'est le rôle du cerveau et du système nerveux.

DEUX AXES DE RECHERCHE : OBSERVATION OU REPRODUCTION
Le cerveau reçoit en permanence, par le biais des cinq sens, une prodigieuse quantité d'informations. La difficulté est de parvenir à comprendre comment il extrait de cette masse d'informations celles qui vont lui sembler pertinentes. Deux points de vue de spécialistes s'affrontent : certains estiment qu'il faut observer longtemps les réactions du cerveau dans des situations variables, et s'appuient sur des groupes de règles et sur une logique pour les combiner, afin de reproduire les comportements observés. Par exemple, une mouche qui veut se poser tend ses pattes lorsqu'elle arrive près du sol afin que le choc soit absorbé. On peut donc établir des règles logiques qui régissent le comportement de la mouche dans cette situation : si elle voit le sol qui se rapproche vite, alors elle envoie aux muscles les informations nécessaires pour qu'ils se mettent en extension. D'autres spécialistes pensent que c'est en comprenant la structure du système nerveux que l'on comprendra son fonctionnement. En reprenant l'exemple précédent, il s'agit de savoir comment la vitesse et le rapprochement apparent du sol sont perçus par le système visuel de la mouche et quelles sont les structures du système nerveux qui analysent ces informations et qui élaborent l'ordre donné aux muscles des pattes.
La seconde approche est ici préférée : en imitant des parties du système nerveux et en analysant leur fonctionnement, on devrait comprendre comment notre propre image du monde s'élabore à partir des signaux reçus par les yeux, par les oreilles ou par tout autre organe sensoriel.
L'idée de base consiste d'abord à reproduire la forme du système nerveux. On dit alors qu'on procède par mimétisme de la structure. Et c'est à l'échelle de la cellule nerveuse, ou neurone, que les chercheurs en neuro-mimétisme ont décidé de se placer pour réaliser la copie. Ils auraient tout aussi bien pu choisir l'échelle moléculaire ou l'échelle du cerveau tout entier, chaque échelle ayant un intérêt : elles donnent un accès différent à une même question et permettent d'y répondre de manière différente.

L'ORDINATEUR, OUTIL DE MODÉLISATION
Imiter le système nerveux n'est pas une idée nouvelle, mais ce projet connaît aujourd'hui un fort développement grâce à l'ordinateur lui-même qui permet de tester, de simuler les hypothèses émises par les chercheurs. En particulier, l'ordinateur sert à faire fonctionner les modèles construits par les mathématiciens à partir des observations et des réflexions fournies par les physiologistes. Par exemple, une cellule nerveuse est analysée en détail, et son fonctionnement est transcrit en équations. Celles-ci rendent compte de la forme de la cellule, de la circulation des signaux électriques, de l'échange des signaux avec d'autres cellules nerveuses. Ces dizaines d'équations sont simulées par un ordinateur. Ce modèle mathématique du neurone, que l'on appelle le « neurone formel », est dupliqué pour constituer un réseau. À cet effet, les multiples neurones formels ainsi créés sont reliés entre eux selon un schéma choisi, qui pourrait ressembler à un réseau téléphonique. C'est ce que l'on appelle un « réseau de neurones formels », ou un « réseau neuronal ». Le réseau dans son ensemble est simulé, encore grâce à la puissance de l'ordinateur. Son comportement global est analysé afin d'en étudier les propriétés. À cette étape de la recherche, des milliers d'équations et des centaines de milliers d'opérations ont été prises en compte pour simuler un réseau de quelques dizaines de neurones formels.

UN PARAMÈTRE FONDAMENTAL : LA FACULTÉ D'APPRENTISSAGE
Mais mimer uniquement la structure et le comportement de la cellule nerveuse restreint considérablement l'intérêt de ces recherches. Si l'on s'en tient là, ce n'est qu'un simple modèle du système nerveux qui a été ajouté au catalogue des connaissances scientifiques. Tout au plus aurons-nous un dispositif qui ne remplit qu'une tâche répétitive, qui ne se modifie jamais et qui ne manifeste donc aucune capacité d'adaptation au changement. Il lui manque l'essentiel : la possibilité d'apprendre, c'est-à-dire de produire un comportement qui réponde aux situations rencontrées.
La dernière étape de la recherche consistera à doter le réseau neuronal de cette capacité d'apprentissage. Cette fonction sera effectuée à partir d'une règle d'apprentissage qui pourra agir sur les différentes parties du neurone formel et du réseau. Avant d'en arriver là, il faut tout d'abord présenter les phases de construction d'un modèle de neurone formel, et de sa mise en réseau ; ensuite, il s'agira de rentrer dans le détail de la constitution d'une règle d'apprentissage afin de voir comment celle-ci agit sur le réseau ; enfin, nous illustrerons le fonctionnement de tels réseaux à travers deux exemples concrets tirés du domaine médical et du traitement du son.

LE MODÈLE DU NEURONE
DESCRIPTION DU NEURONE
Le neurone biologique est une cellule nerveuse. On ne connaît pas tous les détails de son fonctionnement. Comme l'indique très clairement J. M. Robert : « le neurone est une cellule […], un ensemble de molécules […], qui vit, meurt dans un environnement […]. Il est, de ce fait, indissociable du monde qui l'entoure ». Étudier sa nature et son fonctionnement est l'affaire des biologistes, des neuropharmacologistes et des neurochimistes. L'étudier dans son contexte requiert des outils de traitement de l'information, car le neurone reçoit et émet des signaux, et prend des décisions : c'est sa fonction principale.
Schématiquement, un neurone est une entité composée d'un corps cellulaire, d'un axone et d'une arborisation dendritique qui peut entrer en contact avec des milliers d'autres neurones. Le neurone peut émettre un influx nerveux, un signal électrique qui parcourt l'axone et qui se diffuse par le canal d'un réseau dont la forme rappelle les ramures d'un arbre. C'est ce qu'on appelle l'« arbre dendritique ».
FONCTIONNEMENT DU NEURONE
Lorsque le signal atteint l'extrémité d'un neurone, les synapses qui assurent le contact entre les neurones diffusent une substance chimique, le neuromédiateur, qui est captée par les neurones proches. Un simple signal nerveux peut donc être transmis par ce mécanisme à un grand ensemble de neurones, mais cette transmission dépendra de la quantité de neuromédiateur déversée par les synapses. La nature nous pose là une première question : il serait si simple de connecter les neurones directement, comme on branche une prise téléphonique pour être relié au central. Mais pour un neurone biologique, ce n'est pas le cas : c'est comme si le signal téléphonique pouvait ouvrir un robinet d'eau, que l'eau s'écoulait dans un récipient et que la transmission du signal téléphonique reprenait en fonction de la quantité d'eau recueillie.
Malgré son apparente bizarrerie, ce mécanisme est très astucieux : il permet de garder des traces de ce que le système nerveux a vécu. En un mot, c'est probablement dans ce mécanisme de transmission de l'information que réside le secret de l'apprentissage. C'est ce qu'ont compris des spécialistes en neurophysiologie depuis cinquante ans, et en particulier Donald Hebb qui, le premier, a fourni une explication de l'intérêt de cette transmission.
Sans entrer dans les détails de la chimie ou de la structure du neurone, il est toutefois possible de se pencher sur sa fonction, telle qu'elle est comprise par les physiologistes et par les mathématiciens. Le concept de « neurone formel » encore utilisé date de 1943. Il a été proposé par deux chercheurs américains, Warren McCulloch et Walter Pitts. Le neurone reçoit des entrées, en provenance du monde extérieur, ou en provenance d'autres neurones, il les additionne, et prend une décision. Comme les liaisons ne sont pas directes, on dit que la transmission est modulée, ou « pondérée », par les liaisons. Plus précisément, si le signal transmis d'un neurone à un autre est renforcé, gonflé par la liaison synaptique, on dira que la synapse est excitatrice. À l'opposé, si le signal est affaibli, on parlera de synapse inhibitrice. C'est d'ailleurs ce type de synapse que l'on rencontre en plus grand nombre dans le système nerveux. Un neurone formel reçoit donc des entrées qui sont pondérées par des liaisons synaptiques, et la valeur de ces pondérations dépend de ce que le réseau a vécu. En résumé, un réseau neuronal est un assemblage de multiples neurones qui essaye de garder une trace de ses états successifs, en transformant les liaisons entre ses éléments.
C'est un processus assez naturel, si on se rappelle qu'un système vivant passe son temps à établir des relations : si un parfum me rappelle de doux souvenirs, c'est que j'ai établi une relation entre le parfum qui flottait dans l'air et l'état de bien-être dans lequel je me trouvais à cet instant. Cette situation a changé des liaisons entre mes neurones, qui ont gravé cette relation dans mon système nerveux.

APPRENDRE, OU COMMENT MODIFIER SON RÉSEAU
Imaginons un sculpteur qui, éclat par éclat, fait émerger du marbre une forme. Si celle-ci nous émeut, c'est que l'expression de cette forme nous « parle », qu'elle nous plaît, qu'elle suscite en nous une émotion. C'est ce que produit en nous notre propre système nerveux. Il se forme au gré de nos expériences. Chaque perception est un éclat, mais chaque éclat transforme notre perception. Il n'existe pas de spectateur de notre « sculpture » cérébrale. Nous sommes simultanément la sculpture et le spectateur, mais c'est notre propre sensation du monde que nous sculptons. Il est assez difficile d'imaginer comment cela se passe, mais nous disposons de quelques hypothèses, dont une a été formulée par Hebb en 1942. Ce chercheur s'est intéressé à l'apprentissage sous l'angle de la modification des connexions synaptiques. Il existe bien évidemment de multiples façons de voir l'apprentissage, mais, à l'échelle du neurone, c'est la manière dont cette modification s'opère qui importe. Hebb considère deux neurones seulement, reliés par une seule liaison.

LA MODIFICATION DE LA LIAISON ENTRE NEURONES EN FONCTION DE LEUR ÉTAT
Lorsqu'il reçoit des signaux en provenance de l'extérieur, le réseau de deux neurones artificiels peut se trouver dans quatre états différents. Le premier neurone (neurone 1) peut être actif, et le second neurone (neurone 2) également. Il se peut aussi que le neurone 1 soit actif, et le neurone 2 inactif. Réciproquement, le neurone 1 peut être inactif, et le neurone 2 actif. Enfin, les deux neurones peuvent être simultanément inactifs. Si l'on ne considère pas d'autre état pour ces neurones, nous avons passé en revue l'ensemble des états possibles pour le réseau. Pour chacun de ces quatre états, Hebb a imaginé comment la liaison entre les deux neurones pouvait être modifiée. Il a considéré que celle-ci était en relation avec l'activité conjointe des deux neurones. On dit aussi que la liaison évolue en fonction de la corrélation observée des activités des neurones. En d'autres termes, la liaison augmentera si les deux neurones sont actifs ou inactifs simultanément, et elle diminuera dans les autres cas.

LE RÉSEAU DE HÉRAULT-JUTTEN : LA PAROLE EST AUX INDÉPENDANTS
Comme il est agréable d'écouter de la musique pendant que l'on « refait le monde » avec ses amis. Mais quel exercice pour le cerveau! À tout moment, les oreilles reçoivent les sons de la pièce bruyante, et le cerveau doit faire le tri. Il ne nous est d'ailleurs pas difficile de fixer notre attention sur la musique, ou sur le discours de notre voisin de table. Pourtant, les sons sont mélangés, se répercutent sur les murs, sont absorbés par le tapis, et c'est une abominable mixture de fréquences qui parvient à nos oreilles. Comment imaginer que le cerveau puisse distinguer, faire la différence, entre tous ces signaux?
Des recherches récentes apportent une ébauche de réponse à cette question. D'abord, comme pour la vision, le cerveau reçoit de chaque oreille des images sonores différentes d'un même environnement. Il possède donc un moyen de comparer et de mettre en relief ce qu'il reçoit. Mais ce n'est pas tout. Les fibres nerveuses véhiculent un mélange de signaux, et de petites structures neuronales semblent capables de faire la différence. Elles peuvent, sous certaines conditions, séparer les sons sans les connaître.
Revenons à notre réunion amicale. Le cerveau reçoit deux images sonores de cette cacophonie : le signal capté par l'oreille gauche et celui capté par l'oreille droite. Dans ces conditions, un petit réseau de deux neurones artificiels pourrait séparer cet affreux mélange, permettant de discerner les propos et la musique de fond.
Un modèle de séparation des signaux a été proposé par deux chercheurs français, Christian Jutten et Jeanny Hérault. Pour que ce réseau fonctionne, il faut néanmoins satisfaire à une contrainte : que les signaux d'origine soient indépendants, c'est-à-dire que la valeur d'un signal ne dépende en aucune façon de la valeur de l'autre signal. Cela est certainement vrai dans le cas de notre ami et de la musique d'ambiance, mais dans la nature l'indépendance n'est parfois qu'apparente. Observons, par exemple, un pont qui enjambe une rivière : avec un peu d'attention, on peut voir qu'il présente des ruptures destinées à lui permettre de « bouger », de se dilater ou de se contracter. Cela vient de ce que la longueur du pont dépend de la température : en hiver le pont sera plus court, et en été, il sera plus long!
Le modèle de réseau neuronal proposé ici sert, en général, à tester cette indépendance, et il peut ainsi s'appliquer à de nombreux domaines : le traitement d'images, l'analyse de signaux radars ou subaquatiques. En s'inspirant d'un mécanisme biologique, ces chercheurs ont ainsi imaginé un système utile dans le domaine technique.

APPRENDRE À VOIR : LES BASES DE L'AUTO-ORGANISATION

Les images tridimensionnelles fleurissent au détour de tous les magazines : dragons effrayants, tour Eiffel ou voitures de rêve. Toutes donnent une illusion saisissante de profondeur. Elles semblent vraiment sortir de la feuille. Mais, pour accéder à cette vision, il faut un petit temps d'apprentissage, tout juste guidé par quelques explications bien souvent imprécises. Apprendre à voir ? Cela semble bien curieux. Mais c'est pourtant ce qui se déroule dans le cerveau. Depuis la naissance, le système visuel s'affine en permanence. Chaque sensation visuelle venant donner forme à la perception. En un mot, le système visuel s'organise par lui-même à partir des informations qu'il reçoit.
Un tel principe ne pouvait pas laisser les scientifiques indifférents. C'est pourquoi un Finlandais, Teuvo Kohonen, inspiré par les travaux de physiologistes, en particulier les prix Nobel de physiologie David Hubel, Torsten Wiesel et Roger Sperry, propose en 1982 un modèle dit d'auto-organisation. Dans ce modèle, des centaines de neurones formels adaptent leurs connexions en vue de faire apparaître des caractéristiques contenues dans les signaux perçus. Ils détectent des régularités, ils regroupent les signaux similaires. En termes plus techniques, ils font une analyse des données locales, mais dans un sens global. Comme un peintre, par petites touches, ils font apparaître une image globale qui a un sens pour celui qui l'observe.
Cette propriété est également très riche, et peut être appliquée à de nombreux problèmes pour lesquels les relations entre les parties révèlent une forme cachée. Par exemple, analyser l'état d'un moteur, étudier le comportement d'un réseau de distribution électrique ou encore révéler des similarités économiques entre pays sont des tâches qui relèvent de ce moyen d'analyse.

PERSPECTIVES
Cet immense champ d'investigation est encore à explorer. Il est excessivement difficile d'avancer, car la connaissance physiologique du système nerveux, qui progresse pourtant à pas de géant, est encore balbutiante. D'autre part, les outils mathématiques utilisés pour analyser les modèles formels sont également complexes. Enfin, les ordinateurs actuels, malgré leur puissance de calcul colossale, sont très loin d'être assez puissants pour simuler des réseaux de neurones de grandeur respectable. N'oublions pas cependant que le but de ces recherches n'est pas de refaire un cerveau. Il y a des moyens bien « naturels » pour cela, et qui ne requièrent pas des dizaines d'années de recherche… Comme nous l'avons vu en préambule, c'est un accès à un savoir nouveau, qui passe par une observation particulière de la nature, qui intéresse les chercheurs. C'est également une des plus extraordinaires aventures de la science : les étoiles pour ceux qui lèvent les yeux, la matière pour ceux qui regardent la terre et les mécanismes de la conscience pour ceux qui veulent ouvrir « l'œil du dedans ».

 

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Consulter aussi dans le dictionnaire : résistance
Cet article fait partie du dossier consacré à l'électricité.

Quotient de la tension U aux bornes d'une résistance idéale par le courant I qui la parcourt. (R = U/I, ce qui constitue l'expression de la loi d'Ohm.)

ÉLECTRICITÉ
RÉSISTANCE DES CONDUCTEURS
La résistance d'un conducteur quelconque est le quotient de la puissance électrique qui y est transformée en chaleur par le carré de l'intensité du courant. La résistance électrique d'un fil conducteur homogène a pour expression R = ρ. L/s, l étant la dimension dans le sens des lignes de courant, s étant l'aire de la section normale aux lignes de courant et ρ la résistivité du matériau.

La résistance R d'un conducteur homogène dépend donc de plusieurs facteurs : elle est proportionnelle à sa longueur l et diminue lorsque sa section augmente ; elle dépend également de sa résistivité, selon la valeur de laquelle on dit d'un matériau qu'il est conducteur ou isolant. L'unité SI de résistance est l'ohm, de symbole Ω.

RÉSISTANCE ET CIRCUITS ÉLECTRIQUES
D'autre part, la résistance d'un circuit se définit par rapport à l'intensité I qui y circule sous l'effet d'une différence de potentiel U, selon la loi d'Ohm : R = U/I.
Les lois de la résistance ne s'appliquent qu'aux courants continus, ou alternatifs à basse fréquence. En général, la résistance d'un corps augmente avec la température ; elle peut également varier avec la pression.
La résistance R équivalente à plusieurs résistances R1, R2, …, Rn montées en série est égale à la somme des résistances : R = R1 + R2 + … + Rn.
La résistance R équivalente à plusieurs résistances R1, R2, …, Rn montées en parallèle est égale à l'inverse de la somme des inverses des résistances : 1/R = 1/R1 + 1/R2 + … + 1/Rn.

RÉSISTANCE ET IMPÉDANCE
Lorsqu'un circuit contenant une self et une capacité est soumis à un courant alternatif, il oppose au courant une résistance qui ne dépend pas de la seule résistivité du corps, mais qui est une fonction complexe de la résistivité, de la fréquence du courant, du type de montage, de la capacité et de la self : c'est l'impédance.

RÉSISTANCE DES MACHINES TOURNANTES
Les moteurs opposent au courant une résistance qui dépend de leur vitesse de rotation ; c'est pourquoi il est nécessaire, pour certains d'entre eux, d'insérer dans le circuit des résistances additionnelles, dites de démarrage, pour limiter l'intensité du courant à bas régime. Certains conducteurs voient leur résistance disparaître au-dessous d'une certaine température très basse : c'est le phénomène de la supraconductivité.

 

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