Bon, ben voilà...
Source :
SCIENCE & VIE - mars 2005Auteur :
Pierre GRUMBERGEXOSQUELETTE La force ne nous manquera plus…Soldats portant sans effort de très lourdes charges, handicapés retrouvant leur mobilité... d'étonnants "costumes" visent à décupler nos forces. Bluffant.Hercule. Samson, Obélix, Benoît Brisefer, Superman... Des héros de la nythologie jusqu'à ceux de la bande dessinée, la conscience qu’a l'homme de ses limites physiques l'a toujours poussé à inventer des personnages susceptibles justement d'exploits surhumains.
Une situation qui risque de bien changer! Car tant pis pour les héros qui nous vengent de notre médiocre condition, bientôt, monsieur Tout-le-monde sera capable de marcher à bonne allure en portant sans effort une charge équivalant à son propre poids. Ou de soulever à bout de bras plusieurs dizaines de kilogrammes !
Par quel miracle?
Inutile d’imaginer ici une potion magique à base d'un cocktail de molécules dopantes: il suffira d'enfiler un "exosquelette" (ou squelette externe), une structure articulée en métal ou plastique (les médecins orthopédistes parlent aussi d’ « orthèse »), animée par des muscles artificiels appelés « actuateurs » et fixée sur les principaux segments du corps: bassin, cuisse, jambe, bras, avant-bras…
De la science-fiction ? Nullement car plus d'une dizaine de prototypes sont d'ores et déjà au banc d'essai et avant la fin de l'année, ils pourraient donner naissance à des produits commercialisables.
Les premiers, développés aux Etats-Unis, visent d'abord à multiplier les charges utiles que peuvent porter les soldats et, dans le monde civil, les spécialistes de l'intervention d'urgence comme les pompiers et les secouristes.
Le laboratoire d ingénierie humaine et de robotique de l'université de Berkeley (Californie) travaille ainsi sur un exosquelette de membres inférieurs, le
Bleex (
Berkeley Lower Extremity Exosqueleton).
«
notre premier prototype permet déjà de marcher avec 35kg de charge utile en plus des 40kg de l’exosquelette lui-même sans que le porteur ne ressente plus de 2kg sur son dos, annonce Homayoon Kazerooni, le directeur du projet.
Et notre second prototype, prévu pour l'été prochain, devrait faire deux fois mieux : charge utile doublée et poids du système divisé par deux ! »
L’idéal pour transporter lu paquetage encombrant du soldat sur de longues distances. Le
Bleex n’est pas seul sur ce marché : la société
Sarcos de Salt Lake City (Utah) développe un projet similaire tant dans son principe que dans ses performances.
MARCHER À VITESSE NORMALE
Mais le marché militaire est loin d’être le seul visé ! Car si l’exosquelette peut amplifier la force de l'homme valide, il peut aussi multiplier les faibles force, de ceux qui souffrent de déficiences motrices, comme les handicapés moteurs partiels et les personnes âgées, soit pas moins de 8 millions de personnes rien qu’en France, selon l'Insee.
C'est l objet du
Hal (
Hybrid Asistive Limb : membre d assistance hybride), un exosquelette de membres inférieurs, développé dans une entreprise issue de l'université Japonaise de Tsukuba, avec l'appui de l'industriel Mitsui. Testé depuis 2003, l'appareil avance à une vitesse de marche normale de 4 km/h et peut même monter des escaliers !
Les jambes ne sont pas les seules concernées : sur le campus de l’université de Lyon, à Villeurbanne, une autre jeune entreprise
Wotan Systems, construit un prototype d'exosquelette pour membre supérieur à fixer sur un fauteuil roulant, avec pour objectif une commercialisation fin 2005. «
Si vous êtes capables de lever une gomme, nous vous offrirons la force de manier de 1 à 2kg , en plus de la masse du bras, affirme Patrick Sadok, le PDG de Woytan Systems.
Assez pour améliorer considérablement la vie quotidienne d'une partie des 6000 handicapés qui bénéficient aujourd'hui d'aides techniques fonctionnelles pour les membres supérieurs. En jouant avec le réglage des muscles artificiels, il est possible de faire varier leur résistance à l'effort de façon à envisager la rééducation et, tout simplement, une musculation plus efficace ! »
Le prix de vente d'un tel appareil se situerait entre
20 000 et
30 000 euros, soit le prix d’un fauteuil roulant (électrique).
Pas donné, certes mais accessible à certaines collectivités grâce aux subventions pour l'équipement des handicapés.
Les bras n’intéressent d'ailleurs pas que le milieu médical. Le service de robotique et systèmes interactifs du CEA, spécialiste dit retour d'effort et de la télémanipulation a conçu sur ordinateur un exosquelette de bras ultra-léger destiné a l’industrie.
«
On pourrait par exemple l’utiliser pour restituer l'effort de résistance offert par des objets virtuel dans des espaces de réalité augmentée », envisage Rodolphe Gélin, le chef du service…
Tous ces produits ne sortent pas par hasard des laboratoires au même moment : si lu concept remonte aux années 50 (voir « Chronologie »), la technologie - notamment l’électronique - n'est guère disponible que depuis une dizaine d années.
Cela n’empêche que le principe du fonctionnement est simple, au moins sur le papier.
Détecté par une batterie de capteurs (36 sur
Bleex, 14 sur le bras de
Wotan Systems), l’effort produit par l'utilisateur est transmis à un centre de calcul intégré au squelette.
Là, des algorithmes préprogrammés calculent la réponse à donner au mouvement détecté et envoient en retour des ordres à des muscles artificiels qui amplifient l'effort originel (voir « trois types de muscles artificiels complémentaires »). Séparément, les éléments de l’exosquelette sont souvent très banals. Ainsi, les capteurs utilisés pour analyser la quantité proportionnelle d'effort fourni par l'utilisateur chez
Wotan Systems, dérivent-ils d'un... pèse-personne !
Et le centre de calcul qui concentre l’ « intelligence » de
Bleex se réduit à un banal PC. Quant aux muscles, seuls les puissants actuateurs hydrauliques destinés aux exosquelettes Américains ont fait l’objet de développement spécifiques.
Ceux de
Wotan Systems, au contraire, sortent directement du catalogue d’un spécialiste des muscles pneumatiques, l’industriel Allemand Festo.
DIFFICILE DE "COLLER" AU CORPS
Cela étant, l’assemblage du puzzle et, d’abord, sa compatibilité avec le corps humain tient du casse-tête. «
Le principal défi mécanique tient au respect des degrés de liberté des articulations humaines, note Laurence Chèze, chercheuse au laboratoire de biomécanique et modélisation humaine(LBMH) de l université Lyon 1, un des partenaires scientifiques de
Wotan Systems.
Pas question de copier le squelette humain : sur une orthèse, tous les axes de rotation sont déportés vers l’extérieur. Le problème est relativement facile à résoudre pour des articulations simples comme le coude, mais autrement plus complexe pour respecter les mouvements de l épaule, qui possèdent non plus un, mais trois degrés de liberté, avec un déplacement du centre de rotation vers le haut lorsque le bras s élève au-dessus de la tête ! 0r, toute erreur de conception peut induire des blessures à la longue. ce qui est évidemment hors de question... »
Pour les jambes, la solution actuelle consiste à adopter une articulation simpliste de type « Playmobil » (ni
Hal, ni
Bleex ne prévoient, par exemple, de rotation des hanches), puisque l’objectif prioritaire est de marcher. En revanche, pas question de restreindre les mouvements du bras, l'objectif étant non seulement de redonner l’impression d'une vie normale aux handicapés, mais encore de favoriser la rééducation…
Tout le monde, en revanche, doit composer avec la nécessite de réduire le nombre des actuateurs, de façon à éviter la complexité, le coût en énergie et la surcharge pondérale du système : «
Pensez par exemple que la seule flexion naturelle du coude peut mettre en jeu de 5 à 6 muscles, alors que l’orthèse n'en offre que deux », explique Laurence Chèze.
La solution ? Un patient travail de modélisation sur un logiciel de conception assistée par ordinateur. Et des mécanismes d'articulation dûment brevetés.
Reste que le défi de la compatibilité avec le corps humain ne se limite pas à des calculs de mécanicien, aussi compliqués soient-ils. Si l’ « intelligence » cognitive de l’exosquelette est réduite à zéro par rapport à celle d'un robot (puisque c’est l’utilisateur qui définit la direction, évite les obstacles, etc.), l’appareil doit compenser en « collant » en temps réel aux commandes de l'utilisateur.
«
C'est là que se situe le n½ud du problème, résume Homayoon Kazerooni.
Pour la marche, il est en effet indispensable d’avoir les temps de retour de l’ordre de la microseconde pour éviter les problèmes de désynchronisation et la perte d'équilibre. »
Faute de système permettant de se débarrasser de l’appareil au sol (un dispositif est cependant à l'étude pour le prototype), toute chute serait catastrophique ...
Les chercheurs Américains ont donc conçu un réseau informatique spécial baptisé «
Exolink », chargé de collecter les données à la sortie des capteurs pour les transmettre vers le PC à très grande vitesse: 1 500 mégabits par seconde, soit 1500 fois plus rapide que le modem ADSL destiné à la connexion rapide à Internet. Mais répondre vite ne suffit pas : «
Les algorithmes doivent savoir trier entre les réactions contrôlées de l'utilisateur et les mouvements réflexes involontaires dont l'amplification serait catastrophique, notamment chez les handicapés, remarque Christian Arnoud, le responsable technique de
Wotan Systems.
Dans ce domaine, il n'existe guère de recettes. sinon la méthode empirique, suivie de longues périodes de validation. »
Si l'état de l’art permet déjà d'envisager des prototypes (et même des produits) fonctionnels, les solutions adoptées relèvent encore souvent du compromis et sont loin de donner pleinement satisfaction.
L'alimentation en énergie, en particulier, constitue à l’heure actuelle, de l’avis général, un vrai goulot d’étranglement. Ce n’est pas un hasard si
Wotan Systems a commencé par développer un bras : le fauteuil sur lequel il est fixé est idéal pour stocker les batteries et le compresseur compact destiné à gonfler les muscles pneumatiques...
L'ALIMENTATION PÈSE LOURD
Un expédient évidemment interdit sur les systèmes d'assistance aux jambes ! Sur
Hal, les ingénieurs Japonais ont opté pour des batteries de quelques kilogrammes, déterminant le choix de moteurs électriques peu puissants et interdisant du coup de futurs développements du côté des personnes valides.
Quant à
Bleex, l'unique solution capable de fournir la puissance de 300 watts électriques destinés à l'électronique et, surtout, de propulser la masse de 85 kg de l'appareil à 8 km/h consiste en un moteur développant 3 ch dérivé d'une tronçonneuse. Peu discret, ce système exige une isolation acoustique pesante et un réservoir de carburant inflammable, accessoires ennuyeux chez les militaires.
L'autre problème est que le carburant emporté (0,6 litre par km à pleine vitesse) limite d'autant la charge utile. L'autonomie dépasse largement, certes, celle fournie par des batteries, mais reste encore insuffisante...
«
Nous travaillons donc sur un nouveau moteur électrique, alimenté par une pile à combustible », lâche laconiquement Homayoon Kazerooni. Ces fameuses piles miraculeuses ne seront toutefois au point que d'ici à quelques années.
Quoi qu'il en soit, les ingénieurs semblent persuadés que tous les obstacles seront finalement surmontés, préparant la voie à une seconde génération d'exosquelettes, autrement plus performante que la première.
«
Les progrès parallèles de la robotique et des neurosciences rendent envisageables des exosquelettes capables de redonner des membres aux tétraplégiques complets en récupérant l’influx nerveux au niveau du cerveau » affirme ainsi Philippe Gorce, responsable de l'équipe biomécanique du laboratoire d'ergonomie sportive et performance de l’université de Toulon.
ILS NE COURENT PAS ENCORE…
Tout aussi ambitieux sera le passage logique de la marche à la course et même au saut assisté !
Un exosquelette expérimental, le
SpringWalker, avait été développé à ce titre en 1990 par une entreprise Californienne, Applied Motion.
Conçu comme un amplificateur de mouvement, l’appareil récupérait via un appareillage de ressorts et de poulies l'énergie dépensée par les muscles pour accélérer la course. Très haut sur pattes, encombrant et difficile à utiliser (grimper dessus tennait déjà de l'exploit…), le SpringWalker semble désormais abandonné.
Et les chercheurs ne relèvent aujourd’hui le défi de la course qu’avec circonspection.
Un marcheur conserve toujours un pied au sol alors qu'un coureur passe les deux tiers de son temps en l'air ce qui pose d'énormes difficultés dans la gestion des appuis, note Philippe Gorce.
Et c'est sans compter avec l'amortissement nécessaire à chaque foulée !Pourtant, les chercheurs de Sony et Honda n'ont-ils pas récemment démontré que des robots étaient capables de courir ?
"
Un superbe tour de force, certes, mais avec des mouvements incompatibles avec la course humaine et la vitesse très faible de 3 km/h, répond Philippe Gorce.
Par exemple. l'indispensable fonction d'accélération, assurée chez l'homme par la variation de longueur des foulées, n'est pas du tout prise en compte. Nous y arriverons, mais pas avant des années. "
Finalement, Superman a encore quelques années devant lui avant d’envisager une reconversion. Mais, qui sait, peut-être pourrons-nous un jour aller au travail en bondissant allégrement dans les rues, grâce à l'exosquelette intégré dans nos costumes...
LE PREMIER BREVET ANNONÇANT LES EXOSQUELETTES ACTUELS A ÉTÉ DÉPOSÉ EN 1964 (et enregistré en 1967), aux Etats-Unis. Sans employer le terme spécifique d'exosquelette, Emery Kultsar, l'inventeur, décrit un "système d'assistance et de motricité pour ' le corps", destiné à protéger les travailleurs des conditions extrêmes (pompiers, mineurs...). Mais si l'appareil mécanique était fort minutieusement décrit, la pompe et les batteries censées fournir la pression hydraulique et l'énergie n'étaient, elles, pas détaillés. Sur les croquis, elles tenaient même dans un étui à lunettes...
TROIS TYPES DE MUSCLES ARTIFICIELS COMPLEMENTAIRES :L’ACTUATEUR ELECTRIQUEUn moteur électrique pas à pas contrôlé par une puce est connecté à l'exosquelette (hanche, genou).Avantage : des batteries suffisent à l'alimenter. Inconvénient: manque de puissance et fragilité.
L’ACTUATEUR PNEUMATIQUEL'armature d'un tuyau convertit le gonflage en traction. Avantage : un actuateur de 40 mm soulève 400 kg ! Inconvénient: il faut deux actuateurs par articulation (car le muscle ne travaille qu'en traction)
L’ACTUATEUR HYDRAULIQUEUne pompe pousse de l'huile dans un vérin. Un piston y fournit au choix poussée ou traction. Avantage : une grande puissance. Inconvénient: un poids très élevé.
CHRONOLOGIE :VIIème siècle avant J.C La première forme d'exosquelette (les échasses) apparaît en Chine.
XIVème siècleFabrication en Europe médiévale des premières armures articulées.
1959Dans le livre StarshipTroopers, l'Américain Robert Heinlein équipe ses guerriers du futur d'exosquelettes blindés.
1964L'Américain Emery Kultsar dépose un brevet d'exosquelette motorisé.
1965General Electric construit
Hardiman 1, un exosquelette amplificateur de force. Un seul bras fonctionne, et son alimentation occupe une pièce entière.
1992Sortie du
SpringWalker, prototype destiné à accélérer la course.
2000 Lancement du programme de recherche "Exoskeletons for Human Performance Augmentation (EHPA) par l'agence américaine de recherche et développement militaire (Darpa)
2003Premiers tests de
HAL, l'exosquelette motorisé pour handicapés.
Octobre 2004Première compétition d'haltérophilie assistée par exosquelette à Santa Clara (Californie)
Voir aussi :http://www.wotan-systems.com/fr/index.htmlhttp://www.plyojump.com/exoskeletons.htmlhttp://bleex.me.berkeley.edu/bleex.htm (vidéos)
http://www.darpa.mil/baa/baa00-34.htmhttp://sanlab.kz.tsukuba.ac.jp/HAL/indexE.htmlBon... perso, j'ai bien aimé IRON MAN dans ma jeunesse, mais je préfère mes modestes muscles... je n'suis pas sûr que le strip-tease du soir soit bien sexy et pas un brin chiant à la longue...
m'enfin avec une cape, ça doit être sympa tout ça !
voilà, voilà...
JP
