La numérisation envahit notre quotidien et change le monde. Le Domaine des EPF veut jouer un rôle moteur de façon à ce que l’économie et la société suisses en tirent le meilleur parti. Le champ est vaste: de l’observation de l'environnement à l’amélioration d’Internet, en passant par la mise au point de nouvelles techniques de fabrication et la protection des données médicales.

Journée nationale du numérique 2017 sur le campus de l’EPFL. (Photos: Murielle Gerber/EPFL)

Quand on se promène dans les rues de Fehraltorf, on n’a guère conscience que, en sous-sol, il existe un système qui recueille des données en continu, avant de les envoyer par radio. Dans la commune zurichoise, des capteurs mesurent le niveau des eaux dans les canalisations qui passent sous les trois quarts des rues. Toutes les cinq minutes, les mesureurs de niveau à ultrasons, situés sous les couvercles des regards, transmettent la valeur mesurée à une station de base qui, à son tour, envoie ces données à un serveur Internet.

L’installation de capteurs dans des égouts fait partie d’une expérience unique, dirigée par Frank Blumensaat, ingénieur environnement à l’Eawag. «La numérisation nous ouvre de toutes nouvelles possibilités. Grâce à ces capteurs, nous pouvons mesurer et transmettre de plus en plus de données, en consommant très peu d’énergie», dit le spécialiste de la gestion des eaux urbaines, qui est aussi docent à l’ETH Zurich. Le dispositif mis en place à Fehraltorf a ceci d’innovant qu’il combine des capteurs résistants et efficients à une solution de transmission des données par un système radio basse consommation, appelé LPWAN pour Low Power Wide Area Network, dans le cadre de l’Internet des objets (Internet of Things, IoT). Les scientifiques de l’Eawag souhaitent ainsi cerner le régime hydrologique complet de cette zone urbaine avec une précision encore jamais égalée.

L’objectif est d’obtenir davantage d’informations sur la dynamique des secteurs difficiles d’accès, pour pouvoir les exploiter judicieusement, p. e. pour anticiper les inondations en cas de fortes pluies ou les contaminations. Ce réseau de capteurs permet également de découvrir quelles quantités d’eaux usées parviennent dans les ruisseaux, les rivières et les lacs, pour pouvoir réduire au minimum cette pollution. Ce projet alimente aussi la formation d’étudiants qui, comme ingénieurs, transmettront ces nouvelles connaissances aux bureaux d’études.

Journée nationale du numérique 2017 sur le campus de l’EPFL: une participante montre fièrement comment elle dessine avec une appli qu’elle a elle-même programmée sur un smartphone lors de l’atelier.

«Les retours venant du terrain sont bons»

Depuis quelque temps, la numérisation est en forêt, aussi dans la lutte contre le scolyte. Le garde-forestier qui veut connaître la situation dans son secteur peut consulter des informations sur l’évolution du scolyte sur le site Internet de l’Institut fédéral de recherches sur la forêt, la neige et le paysage WSL. «Les informations reposent sur une simulation à l’échelle du territoire suisse», explique Beat Wermelinger, directeur du groupe de recherche Entomologie forestière au WSL. MétéoSuisse fournit les données sur les températures du jour qui sont intégrées dans un quadrillage haute résolution de 2x2 kilomètres.

«La température est un élément clé dans l’évolution des insectes», explique le spécialiste. Le cumul des températures permet de calculer quand les couvains dans l’écorce des épicéas ont atteint leur stade ultime de développement et quand les scolytes vont s’envoler. «Notre modèle montre l’évolution des populations par jour, en fonction de l’altitude et de l'exposition, ainsi que le calendrier d’envol des scolytes.» Les arbres attaqués doivent être abattus tant que les insectes se trouvent encore dans les troncs car un seul épicéa peut abriter jusqu’à 50 000 scolytes. «Les pièges qui ne capturent que quelques milliers d’individus ne sont guère utiles», constate Wermelinger.

Il souligne toutefois que les scolytes jouent un rôle écologique puisqu’ils font partie des colonisateurs pionniers qui interviennent dans la dégradation des arbres morts récemment et le recyclage des nutriments. Mais avec la multiplication des tempêtes violentes et des périodes de sécheresse pour cause de changement climatique, les scolytes vont coloniser tellement d’arbres vivants affaiblis qu’une lutte contre ces insectes s’impose. D’où l’utilité du site Internet du WSL www.bostryche.ch. «Les retours venant du terrain sont bons», se félicite Wermelinger.

«L’interconnexion est la nouveauté»

La numérisation permet des observations de l'environnement plus efficaces et une économie viable. «Nos processus de production doivent être prêts pour l’industrie 4.0», annonce Pierangelo Gröning, membre de la direction de l’Empa. L’impression 3D est une technique de fabrication très prometteuse. Cette méthode informatisée en plein boom permet de produire des pièces sur mesure sans que l’être humain intervienne dans le processus de fabrication dit additive. Les formes sont plus libres qu'avec les méthodes traditionnelles et s’adaptent au mieux à la fonction de la pièce.

Journée nationale du numérique 2017 sur le campus de l’EPFL.

Le spécialiste des matériaux est confronté à un défi particulier: «L’impression en 3D fabrique un produit, tout en synthétisant le matériau dans lequel la pièce est faite», explique Gröning, qui coordonne les recherches sur le thème de l’Advanced Manufacturing. À l’Empa, des chercheurs travaillent sur le développement d’alliages métalliques aussi performants que possible pour l’impression 3D. Il faut par exemple tenir compte du fait que le matériau liquide refroidit en quelques fractions de seconde, bien plus vite qu’avec la méthode traditionnelle. «Nous pouvons fabriquer des éléments qui ne sont pas réalisables en métallurgie classique», explique le spécialiste. «En science des matériaux, c’est comme une renaissance de la production industrielle.»

Le produit final étant une pièce unique, il ne peut pas être testé et il faut donc un nouveau système de gestion de la qualité – un process qui fournisse un jeu de données avec le produit prouvant que la pièce répond aux spécifications. «C'est une chance pour les pays comme la Suisse qui sont très exigeants en termes de qualité», se réjouit l'expert. Malgré tout, les nouvelles techniques de fabrication sont complexes et se subdivisent en de nombreuses étapes. Des capteurs fournissent une multitude de données que l’ordinateur doit traiter en temps réel pour pouvoir intervenir immédiatement. Ce qui demande une interconnexion générale. «L’interconnexion croissante est la nouveauté», précise Gröning. La numérisation existe en soi depuis les années 60.

«La montagne de données s’agrandit de plus en plus»

«Chez nous, la numérisation est probablement plus avancée que dans la plupart des établissements suisses», estime Gabriel Aeppli, qui est à la tête du département de recherche Rayonnement synchrotron et nanotechnologie à l’Institut Paul Scherrer (PSI). Chaque expérience conduite sur les grandes installations de recherche génère de plus en plus de données. «Là où nous collectons aujourd’hui des téraoctets, nous récolterons demain des pétaoctets, soit mille fois plus», explique Aeppli. Il pense que, en 2022, le PSI collectera autant de données en une journée que le CERN aujourd’hui en un an. «La montagne de données s'agrandit de plus en plus», constate le physicien.

La technologie actuelle ne permet pas d’exploiter ces informations dans un délai raisonnable. Pour compresser, traiter et enregistrer les données, les spécialistes du PSI doivent développer de nouvelles plateformes, tant au niveau du matériel que des logiciels. Les solutions élaborées au PSI sont mises à la disposition de l’économie suisse. Des spin-offs se créent régulièrement autour de la numérisation, comme l’entreprise Dectris qui développe des détecteurs à pixels produisant énormément de données ou la société leadXpro qui recherche de nouvelles molécules de principes actifs pour des médicaments – une tâche qui nécessite le traitement particulièrement intensif des données.

«Une usine doit résoudre les mêmes problèmes, mais nos systèmes sont un peu plus complexes», commente Aeppli. «Nous disposons des personnes capables de concevoir, d’organiser et d’exploiter ces systèmes. Le Domaine des EPF est un concentré d’excellence académique et de connaissances pratiques.»

Aeppli considère lui aussi l’Internet des objets comme une belle opportunité pour la Suisse. «Nous voulons intégrer l’industrie 4.0 dans les travaux sur la Source de Lumière Suisse», explique le directeur de la grande installation de recherche. Les différents composants ne seront plus reliés par des câbles, mais en Wi-Fi. Les expériences des ingénieurs du PSI profiteront ainsi à l’économie. «Une usine doit résoudre les mêmes problèmes, mais nos systèmes sont un peu plus complexes», commente Aeppli. «Nous disposons des personnes capables de concevoir, d’organiser et d’exploiter ces systèmes. Le Domaine des EPF est un concentré d’excellence académique et de connaissances pratiques.»

«Un Internet taillé»

Le réseau Internet d’aujourd’hui relie des milliards d’appareils, les exposant ainsi à des dangers de taille. Les attaques guettent de toutes parts car les techniques utilisées ne sont plus à la hauteur des besoins d’un monde de plus en plus connecté. Ce n’est plus qu’une question de temps d’ici à ce que l’Internet s’effondre, que les infrastructures critiques deviennent incontrôlables, que des données personnelles se retrouvent entre de mauvaises mains et que nous souhaitions, enfin, disposer d’un Internet taillé pour le XXIe siècle. L’Internet sûr existe-t-il? L’architecture Internet SCION développée à l’ETH Zurich est la première architecture entièrement repensée, capable d’interconnecter des appareils à travers le monde et de résister sans problèmes aux attaques par déni de service (DDoS), en répondant à toutes les exigences de l’Internet des objets et de la disponibilité de communication.

Journée nationale du numérique 2017 sur le campus de l’EPFL.

Plusieurs entreprises testent déjà le système SCION, dont Swisscom et l’agence d’une grande banque suisse qui, depuis août 2017, ne communique plus que par SCION avec le centre de calcul. «Il semble que SCION soit la première nouvelle proposition d’architecture Internet utilisée en production», annonce Adrian Perrig, professeur et chef de l’Institut pour la sécurité d’information à l’ETH Zurich. Son concept repose sur des domaines d’isolation. Il s’agit d’assemblages indépendants sur le plan régional et composés de plusieurs réseaux autonomes qui se sont mis d’accord sur des règles communes. De grandes entreprises ou même des pays peuvent former un domaine d’isolation et prendre ainsi leurs distances. «On peut se protéger des dysfonctionnements et des attaques externes», déclare Perrig. «Il est surprenant de constater que le routage et l’envoi fonctionnent mieux dans SCION qu’au sein de l’Internet actuel et ce, malgré l’ajout de fonctions de sécurité.» Par exemple le parcours des paquets de données entre l'expéditeur et le destinataire est fixé à l'avance, ce qui évite aux données d’être détournées.

Élément important: SCION n’a quasiment pas besoin de nouvelle infrastructure. «Il suffit juste de quelques routeurs SCION en bordure de réseau. Les liaisons internes restent telles quelles», explique Perrig. «Nous empruntons donc les mêmes routes, mais roulons avec d’autres voitures.» Le logiciel correspondant est disponible en Open Source. «Nous souhaitons que SCION se diffuse à travers le monde entier», explique le scientifique qui n’a pas voulu déposer de brevet pour ne pas décourager certaines personnes intéressées. Par contre, il a formé une spin-off avec les professeurs David Basin et Peter Müller pour aider les utilisateurs.

«Les données ADN ne sont pas des jouets»

L’échange de données personnelles sensibles nécessite un réseau sûr. «La génomique va être le prochain grand défi en matière de protection de la vie privée», annonce Jean-Pierre Hubaux, professeur au laboratoire pour les communications informatiques et leurs applications de l’EPFL. Il y a six ans, il s’occupait de la protection des données sur les réseaux mobiles quand deux généticiens lui ont dit qu’il y avait plus important à faire. Bien que le séquençage de l’ADN progresse rapidement, quasiment personne ne se soucie de protéger ces données sensibles, déploraient-ils. Hubaux, qui avait fait des études d’informatique, relève le défi et se plonge dans la génétique. Aujourd’hui, il fait partie des plus grands experts au monde de la protection des données génétiques.

Dans le cadre du grand axe stratégique Personalized Health and Related Technologies du Domaine des EPF, Hubaux dirige un projet qui doit garantir la protection des données quand des hôpitaux et des instituts de recherche échangent des informations sur les patients, comme le prévoit l’initiative de la Confédération Swiss Personalized Health Network (SPHN). «Nous avons déjà développé plusieurs logiciels», indique le chef de projet. À présent, les spécialistes doivent tester comment intégrer les solutions en milieu hospitalier. «Notre consortium compte un généticien qui veille à l’adéquation de nos travaux. Je m’entretiens souvent avec des spécialistes informatiques qui interviennent dans des hôpitaux», poursuit Hubaux. «C’est un dialogue passionnant.»

L’échange de données génétiques sur les patients doit entre autres permettre de personnaliser les traitements contre le cancer. Quand on connaît les mutations d’ADN liées à certains types de tumeur et que l’on sait quelle thérapie offre les meilleures chances de guérison, on peut mieux cibler les nouveaux traitements. Mais les données génétiques sont très sensibles car elles permettent d’identifier une personne sans ambiguïté. Et comme le patrimoine génétique de parents est similaire, on peut transmettre des informations sur les membres de sa famille avec son propre ADN. «Les données ADN ne sont pas des jouets», prévient Hubaux. «Elles contiennent des informations sur des maladies graves – on parle de vie et de mort.»