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PUBLISCOPIE
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Pierre-Yves Oudeyer est ancien
élève de l'Ecole Normale Supérieure,
aujourd'hui chercheur au laboratoire CSL de Sony à
Paris. Il vient de soutenir sa thèse
de doctorat : "L'auto-organisation de la parole"
au LIP 6
En savoir plus : www.csl.sony.fr/~py
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Les très bonnes thèses, dont on peut pronostiquer
que leurs auteurs feront une carrière scientifique
exemplaire, se distinguent des autres car au-delà d'un
exercice obligé, elles ouvrent des perspectives en
amont et en aval du domaine exploré, qui peuvent le
cas échéant conduire à faire évoluer
sinon réviser les paradigmes scientifiques en cours.
C’est ce dernier trait,
selon nous, qui caractérise la thèse de Pierre-Yves
Oudeyer, «L’auto-organisation de la parole
», soutenue le 24 novembre 2003 au Lip6. Elle couronne
une liste impressionnante de publications rendant compte de
travaux réalisés par l’auteur de 1999
à 2003. Il s’agissait, globalement, d’étudier
les origines du langage en utilisant les outils de l’informatique
et de l’intelligence artificielle. Les expérimentations
présentées et analysées dans la thèse
poursuivent et approfondissent ces travaux.
Mais ce domaine a déjà
fait l’objet de plus de 30 ans de recherches, utilisant
les technologies du moment. En quoi « L’auto-organisation
de la parole » se distingue-t-elle de ces travaux
précédents, à part le fait que l’auteur
a fait appel aux solutions les plus récentes offertes
par les réseaux neuronaux et les populations d’agents
?
C’est que Pierre-Yves.Oudeyer
se pose, comme il l’indique clairement au début
de l’ouvrage, non pas la question de l’émergence
des langues à partir d’un univers déjà
bien installé de communications symboliques, mais la
question de l’émergence de la communication par
le langage sans qu'existent déjà des systèmes
d'interactions sociale entre les agents de complexité
équivalente à celle du langage, et possiblement
sans que les agents aient l'envie ou le besoin de communiquer
sous cette forme élaborée. En d’autres
termes, il nous place au coeur des phénomènes
évolutifs dits de l’émergence de la parole:
l’interaction entre éléments simples fait
apparaître des formes complexes qui n’existaient
pas jusqu’alors.
On peut d'ailleurs estimer
qu'en remontant dans le temps, l'apparition chez les animaux
des premières formes de communication symbolique par
postures, gestes ou signaux sonores relève du même
type d'explication. Ceci dit, le problème de l'origine
du langage est un
vaste puzzle auquel la thèse ne s'attaque pas en entier.
Elle s'attaque à l'origine d'un élément
essentiel de ce puzzle : la parole, véhicule, support
physique et forme du langage.
L'émergence
L’ensemble
des mécanismes intéressant l’apparition
de la vie, à partir des premières molécules
pré-biotiques, se trouve concerné par le phénomène
de l'émergence. On peut même aller plus loin
et considérer que c’est l’ensemble des
mécanismes intéressant l’apparition des
formes physiques complexes à partir des composants
élémentaires de l’énergie et de
la matière qui devrait relever de ce type d’étude.
Pourquoi y-a-t-il un univers plutôt que rien, et pourquoi
cet univers est-il peuplé de telles formes plutôt
que de telles autres ? D'où le vaste champ d'applications
potentielles des hypothèses présentées
dans ce travail de thèse.
Nous sommes en fait au coeur
des mécanismes de la morphogenèse. Pierre-Yves.Oudeyer
n’a pas manqué de rappeler que ces mécanismes
présentent de grandes similitudes dans la nature, qu’il
s’agisse de la formation des cristaux de neige, de l’élaboration
de dessins sur les coquillages ou le pelage des animaux. La
vie artificielle, pour l'essentiel, repose aussi sur de tels
mécanismes, comme l’ont illustré récemment
les travaux de Stephen
Wolfram sur les automates cellulaires.
On admet généralement
que c’est une évolution de type darwinien, sur
le mode mutation/sélection, qui permet d’expliquer
l’apparition des formes complexes. D’abord employée
par les biologistes, l'hypothèse dite aussi néo-darwinienne
est de plus en plus utilisée par les physiciens et
par les informaticiens (utilisant par exemple les algorithmes
génétiques). Sans la rejeter ici , PierreYves
Oudyer en montre les limites. Il reprend ce faisant les objections
faites depuis longtemps aux biologistes évolutionnaires
darwinien. Compter sur le mécanisme de mutation au
hasard suivie de sélection ne suffit pas pour qu’en
si peu de temps (600 millions ou 3 milliards d’années
selon ce que l’on adopte comme point de départ
de l’évolution biologique) soient apparues des
formes aussi complexes que l’organisme humain ou les
sociétés humaines (pour nous en tenir à
l’homme). Un processus d’exploration au hasard
de l’espace des possibilités, sur cette (courte)
durée, n’aurait sans doute abouti qu’à
des formes simples et hétérogènes.
On sait qu’il s’agit
là de l’argument utilisé par les spiritualistes
pour justifier l’hypothèse d’un élan
vital, ou doigt de Dieu, guidant l’évolution
vers un but finalisé à l’avance. Mais
Pierre-Yves Oudeyer fait ici la démonstration, dans
le domaine limité mais totalement pertinent qu’est
l’apparition de la parole, du fait que de simples interactions
entre agents évolutionnaires peuvent permettre de comprendre
l’émergence de formes et procédures nouvelles,
en un temps relativement court Dans ce cas, le mécanisme
de l’évolution darwinienne n’est pas supprimé,
mais s'appuie certainement sur un autre mécanisme,
l'auto-organisation, dont le résultat est de contraindre
l’évolution dans des directions bien définies.
Pour le montrer, nous l’avons dit, il utilise un modèle
mathématico-informatique lui-même relativement
simple, qui relève de l’Intelligence Artificielle
évolutionnaire, un système multi-agents adaptatif.
Alain Cardon, dans la modélisation qu’il propose
des mécanismes de la conscience, destinée à
produire une conscience artificielle, fait de même.
Revenons sur cette question
importante des relations éventuelles entre un système
d'auto-organisation et la sélection darwinienne. Pierre-Yves
Oudeyer étudie des solutions faisant appel à
l'auto-organisation des systèmes complexes : l'interaction
entre éléments simples fait apparaître
des formes complexes qui n'existaient pas jusqu'alors. Il
suggère que les premiers systèmes de vocalisations,
ou premiers codes de la parole, sont le résultat auto-organisés
de l'interaction entre composants comme l'oreille, le conduit
vocal, différents réseaux neuronaux (et à
l'intérieur de ceux-ci des neurones), et des agents
qui possèdent ces composants. L'un des points originaux
du système est que ces composants sont tous génériques
et on peut trouver pour chacun une explication qui n'a rien
à voir avec la communication, ni même avec quelque
autre activité sociale. En bref, l'auteur ne pré-suppose
pas de pression sociale, et en particulier pas de pression
évolutionnaire pour développer des systèmes
de communication.Ceci l'amène à formuler l'hypothèse
que la parole pourrait être une exaptation (adaptation
s'étant révélée utile en dehors
du domaine où elle avait pris naissance). Mais le système
artificiel est aussi compatible avec un scénario Darwinien
dans lequel l'environnement favorise les individus qui sont
capables de communiquer de manière élaborée.
Dans ce scénario, son système montre comment
le travail de la sélection naturelle est facilité
par les contraintes apportées par l'auto-organisation.
Une population d'agents
Nous renverrons le lecteur
souhaitant en savoir plus à la partie véritablement
technique de la thèse, qui suppose un minimum de connaissance
du formalisme utilisé. Bornons-nous à constater
que l’auteur montre comment des agents de type robotique,
dotés d’un minimum de senseurs et d’actuateurs
non orientés vers la communication, finissent en évoluant
dans un espace virtuel fermé les obligeant à
interagir, par produire « sans le vouloir »(1)
un système de vocalisations correspondant à
un code de la parole conventionalisé, possédant
les propriétés fondamentales des codes de la
parole humains contemporains, et partagés par tous
les locuteurs de la même société. Pour
celui qui n’a pas bien saisi le jeu des algorithmes
utilisés, la production de ce système de vocalisation
relève quasiment du miracle. Un code de la parole complet
naît à partir de quelque chose de tout à
fait différent - on pourrait dire à partir du
vide pour faire allusion à l’énergie du
même nom.
Pierre-Yves
Oudeyer n’essaye pas d’utiliser
ces prémisses à la compréhension des
systèmes de vocalisation syllabes, composées
de voyelles et de consonnes, tels qu'ils sont apparus au sein
des espèces animales. Il étudie d'abord l’émergence
de ce qui correspondrait à celle de voyelles si les
agents informatiques avec lesquels il travaille étaient
dotés d’appareils auditifs et d’expressions
analogues à ceux de l’homme. A partir de cela,
c’est-à-dire après avoir compris comment
un code de la parole peut s’organiser autour de phonèmes
relativement cohérents, on peut imaginer comment d'autres
éléments essentiels au langage, voire même
le langage lui-même, comme nous le connaissons aujourd'hui,
ont pu émerger. Le préalable, que l’auteur
désigne du problème de la poule et de l'oeuf
(est-ce le cerveau qui a façonné le langage,
ou le langage qui a façonné le cerveau ?) commence
à trouver une réponse. Le cerveau n’a
pas précédé le langage ni le langage
précédé le cerveau. Ils ont co-évolué
ensemble, en utilisant des bases qui n’avaient rien
à voir avec la communication langagière. Celle-ci
peut alors apparaître comme une exaptation née
du rapprochement de facteurs ou propriétés d’agents
soumis à une seule contrainte, partager le même
espace.
Les linguistes traditionnels
diront que les travaux apportés par la thèse
de Pierre-Yves Oudeyer intéressent des agents informatiques
outrageusement simplifiés par rapport à ce que
sont les organismes vivants. On est donc loin des processus
biologiques, linguistiques, sociologiques du monde vivant,
à la base de la communication animale puis de la communication
humaine. Mais pour répondre à cette objection,
l’auteur développe une défense de la modélisation
mathématico-informatique qui a déjà souvent
été présentée (voir notamment
Baquiast-Cardon 2003 et Chauvet 1998) mais qu’il est
bon de rappeler. Le modèle n’est pas le réel.
Il ne prétend pas se substituer à lui. Cependant,
comme il nous donne une représentation relativement
fidèle et entièrement compréhensible
des phénomènes naturels, il suffit, sous réserve
de confirmer in vivo les hypothèses suggérées
par le modèle, à faire comprendre ces phénomènes.
Il permet même d’agir sur eux avec une probabilité
de succès convenable. Nombre de chercheurs vont aujourd'hui
plus loin dans l’importance qu’ils attachent à
la modélisation. Selon eux les modèles, bénéficiant
des progrès continuels des technologies, devraient
nous permettre progressivement de substituer des mécanismes
artificiels aux mécanismes naturels, avec des performances
accrues.
Il faut bien reconnaître, en ce qui concerne les origines
de la parole (et du langage), que les travaux
menés au laboratoire de Sony CSL à Paris,
par l’auteur et les collègues l’ayant précédé
dans cette voie, notamment Frédéric
Kaplan (Kaplan, La naissance d’une langue chez
les robots, Hermès Science 2001) justifient pleinement
la confiance faite à la modélisation. Que des
robots (ou de simples agents informatiques) soient capables
d’inventer par leur interaction des formes de langages
montre bien que ce type de morphogenèse est parfaitement
éclairant en ce qui concerne les origines de la communication
symbolique d’abord, langagière ensuite. On a
d’ailleurs observé que des sourds-muets élevés
sans éducation sociale retrouvaient des processus de
même nature pour se doter d’un minimum de langage
qui leur soit propre.
Ni nativisme ni empirisme
Les modélisations présentées
par la thèse nous permettent en tous cas d’échapper
aux sempiternelles disputes entre nativistes Chomskiens et
empiristes : l’enfant apprend-il à parler «
facilement » parce que son cerveau a été
précâblé génétiquement par
l’évolution, ou bien découvre-t-il et
apprend-il le langage à la naissance, par interaction
avec son milieu culturel ? Nul ne nie plus aujourd’hui
que les cerveaux disposent de pré-représentations
transmises par évolution au sein de chaque espèce,
et permettant aux jeunes de n’avoir pas tout à
apprendre en naissant. Mais pourquoi ces précâblages
là et pas d’autres ? Pierre-Yves Oudeyer et ses
collègues nous répondent que des organismes
vivant dans le même espace et dotés d’un
minimum d’organes sensoriels et moteurs ne pouvaient
pas ne pas inventer un code de communication symbolique, prenant
différentes formes selon les espèces mais présentant
les mêmes formes basiques. On retrouve là la
réponse de la morphogenèse. Si la compétition
darwinienne a joué un rôle, d’autres lois
plus profondes ont contribué à l’émergence
de telles formes ou comportements et non d’autres.
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A gauche : pavage régulier
exagonal des murs construits par les abeilles dans
leurs ruches
A droite : forme prise par des gouttes d'eau quand
elles sont entassées.
L'explication néo-darwiniste pour expliquer
la forme alvéolaire du pavage des ruches dirait
que les abeilles auraient essayé toute une
palette de formes possibles, en partant de formes
aléatoires, en sélectionnant celles
dont la construction leur font dépenser le
moins d'énergie, en les faisant varier petit
à petit, en resélectionnant, et ainsi
de suite, jusqu'à un jour tomber sur la forme
hexagonale. En fait, cela revient à chercher
une aiguille dans une botte de foin, si l'exploration
des formes n'est pas contraintes. Heureusement pour
les abeilles, leur exploration est aidée par
un phénomène d'auto-organisation providentiel.
D'Arcy Thompson a remarqué que si l'on considère
des cellules de tailles approximativement égales,
de formes elles aussi approximatives et simplement
pas trop tordues, et que la température générée
par les abeilles permette de rendre les murs de cire
assez souples, alors les cellules entassées
les unes sur les autres se comportent à peu
près comme des gouttes d'eau dans la même
situation entourées d'un fluide visqueux. Or,
les lois de la physique font qu'un tel entassement
de gouttes d'eau fait prendre spontanément
à chacune une forme hexagonale. Il suffit donc
aux abeilles non pas de trouver comment dessiner un
pavage régulier hexagonal, mais beaucoup plus
simplement de trouver comment faire des cellules à
peu près de la même taille et pas trop
tordues, empilées les unes sur les autres.
La physique faisant le reste. Ainsi, le rôle
de l'auto-organisation de la structure physique est
largement aussi important que l'avantage métabolique
que procure cette structure aux abeilles.
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Quelles sont ces lois ? La
thèse y fait allusion, en étudiant avec une
grande précision les modalités d’apparition
des voyelles et des consonnes dans les différentes
langues. Même si toutes ces langues ne présentent
pas des solutions rigoureusement identiques, les solutions
se regroupent en bassins d’attraction communs. L’auteur
nous rappelle que le choix de ces bassins n’a pas été
fait par un concepteur extérieur recherchant ex-ante
une optimisation de type mécanique. Elle n’a
pas non plus résulté du seul jeu de la sélection
darwinienne, pour les raisons rappelées ci-dessus.
Les formes qui apparaissent découlent de la dynamique
intrinsèque, complexe et auto-organisée, des
systèmes en jeu. Ces systèmes sont caractérisés
par un certain nombre d'attracteurs, chacun correspondant
à des formes émergentes
(2).
Compte tenu des caractéristiques,
acquises par ailleurs et préalablement, de l’appareil
bucco-pharyngé humain, ce sont les lois simples de
la physique macroscopique et plus particulièrement
de la thermodynamique, étudiées depuis au moins
deux siècles, qui génèrent l'apparition
des structures et des formes du langage et de ses éléments.
Dans ces cas, on aboutit à une optimisation ex-post
permettant de diminuer les dépenses d'énergie
et de matière et lutter ainsi au mieux contre l'entropie.
Ce type d'optimisation est en œuvre, on le sait, dès
le niveau de la chimie, où les liens atomiques durables
sont ceux qui sont les moins gourmands en énergie.
On la retrouve à tous les niveaux, y compris bien entendu
dans les institutions sociales humaines. Le même raisonnement
s’applique aux formes de communication ayant émergé
dans les différentes espèces animales, compte
tenu de leurs caractères anatomiques et physiologiques
propres. C’est ce que cherche à montrer la théorie
dite « constructale », proposé par Adrian
Bejan (voir http://www.automatesintelligents.com/labo/2003/dec/bejan.html).
La théorie
constructale?
Arrivé
à ce stade, on peut s’étonner précisément
que Pierre-Yves Oudeyer. ne fasse pas allusion à cette
théorie et aux applications qui en sont données
dans différentes disciplines, allant de la recherche
fondamentale à l’ingénierie quotidienne.
Il nous semble que ses propres hypothèses et celles
d'Adrian Bejan se complètent fort bien. Si cela était
le cas, on mesure le nombre considérable d’applications
qui pourraient être faites de la méthode de modélisation
proposée par le chercheur. C’est un peu, si l’on
peut dire, l’émergence de tout ce qui existe
qui pourrait alors être simulé, sur le modèle
de l’auto-organisation de la parole proposée
par la thèse. Mais on ne peut pas reprocher à
l’auteur de n’avoir pas étendu son travail
à la presque totalité des connaissances, comme
on pourrait rêver de le faire après l’avoir
lu.
Avant de conclure, nous voudrions
revenir sur la question de savoir pourquoi le langage social
de type humain, comme d’ailleurs avant lui l’outil,
ne sont apparus que chez les hominiens ? Pourquoi pas chez
des animaux proches anatomiquement et par le mode de vie,
tels que les primates contemporains? Pierre-Yves Oudeyer évoque
la question mais nous semble-t-il, n’y répond
pas complètement. Il nous dit que le langage pourrait
être apparu chez l’homme comme une exaptation
découlant des caractères anatomiques et physiologiques
des préhominiens, acquis pour d’autres raisons.
Mais quelles sont ces raisons ? Les lignés humaines
ont-t-elles évoluées comme elles l’ont
fait en application des lois simples de la morphogenèse
visant à économiser les dépenses énergétiques
au sein d’une espèce donnée confrontée
fortuitement à un nouveau milieu. Ces lois se seraient
appliquées différemment chez les autres primates,
confrontés à des milieux différents.
Elles auraient donc produit des résultats anatomiques
et physiologiques différents, ne permettant pas d’exaptation
de type langagier. Peut-être.
Mais alors, pour compléter l'explication,
il faut réintroduire la sélection darwinienne
obligeant les espèces isolées à s’adapter
de façon différente à des milieux différents.
On retrouve dans ce cas la thèse devenue classique
chez les paléo-anthropologues, pour qui c’est
l’accident ayant chassé les pré-hominiens
de la forêt humide qui a fait leur succès.
Isolés dans un milieu différent (les failles
rocheuses du rift plutôt que la savane, selon des
hypothèses récentes) les lois de la morphogenèse
les ont obligés à développer des formes
originales, à partir desquelles le langage a pu survenir.
Si on admet cela, qui conjugue
comme le suggère l’auteur l’explication
darwinienne et celle de l’auto-organisation, on peut
dessiner une ligne d’évolution soumise de bout
en bout à la sélection darwinienne sous contrainte
des lois simples de la morphogenèse. Une espèce
transplantée dans un milieu nouveau survit parce que,
par mutation/sélection elle réussit à
optimiser ses caractéristiques anatomiques et physiologiques
afin de survivre dans ce milieu. La nécessité
d’y vivre en groupe et en isolat fait émerger
par interaction entre les individus de cette nouvelle espèce
des formes de communication langagière répondant
aux contraintes de développement modélisées
par les expériences de Pierre-Yves Oudeyer, adaptées
aux spécificités anatomiques initiales caractérisant
les membres de la dite espèce. On peut ensuite imaginer
que les cerveaux, les appareils audio-phonateurs et les contenus
de langage aient co-évolué ensemble, par sélection
darwinienne, dans le sens de la diversification et de la complexification,
mais dans un espace continuellement contraint par l’application
des lois simples de la morphogenèse.
Le même mécanisme se serait appliqué ultérieurement
à l’évolution de l’ensemble des
caractères présentés par l’espèce
humaine y compris dans ses formes les plus récentes
et les plus complexes.
La thèse de Pierre-Yves Oudeyer
est consultable sur : http://www.csl.sony.fr/~py/theseFrench.html
Voir aussi notre entretien
avec Pierre-Yves Oudeyer
(1) Le système ne requiert aucune
pression sociale et les agents n'ont en fait aucune capacité
sociale.
(2) On peut définir sur l'espace
des états du système une fonction d'énergie
ou de potentiel qui décrit la dynamique. Celle-ci est
telle qu'elle conduit le système dans des minimums locaux
(attracteurs) du champ de potentiel. Mais ce concept d'énergie
est abstrait et peut être très différent
par exemple de l'énergie métabolique ou de l'énergie
thermale utilisée dans les travaux de Bejan, cités
par ailleurs.
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