Les combinaisons robotiques portables promettent d'aider les personnes paralysées à se remettre sur pied, de faciliter le travail pénible et de donner aux gens ordinaires des pouvoirs surnaturels.
Les robots et les humains peuvent former une excellente équipe. Ces mots du scientifique sportif gantois Philippe Malcolm me passent par la tête lorsque je marche sur un tapis roulant avec son robot cheville. Il a raison. Le robot, appelé WALL-X, s'adapte parfaitement au bas de mes jambes et suit les mouvements naturels des tendons, des muscles et des ligaments de mes mollets. Lorsque le robot est activé, mon pas s'accélère. Je me sens suprême, comme si rien ni personne ne pouvait m'empêcher de courir un marathon tout de suite.
L'exosquelette permet de marcher plus vite, ou avec plus de bagages sur le dos
N'imaginez aucun tracas futuriste avec ce "robot", malgré les nombreux câbles et tubes. Le faux muscle du mollet consiste en un pneu de vélo dans un manchon de câble. Lorsqu'un appareil insuffle de l'air comprimé dans ce pneu de vélo, le manchon du câble se raccourcit et le faux muscle se contracte. Le mouvement du muscle artificiel semble identique à la façon dont les muscles « réels » se contractent. Et elle le fait très naturellement. Contrairement à ce que je craignais, les bottes du robot ne m'obligent pas du tout à me déplacer comme un robot. L'exosquelette pousse mon pied avec force, ce qui fait monter et reculer mes genoux, mais cela ne me dérange plus après une courte période d'adaptation. Le maintien est exactement en adéquation avec l'allure à laquelle je veux marcher. Un ensemble de muscles supplémentaires, une mise à niveau de la mienne.
Les robots de cheville comme celui-ci, comme les exosquelettes ou les exosquelettes complets, promettent d'améliorer les performances des sauveteurs, des soldats ou des aventuriers, de faciliter le travail épuisant des travailleurs ou de redonner de la mobilité aux personnes aux muscles affaiblis ou paralysés. Ce rêve est beaucoup plus ancien qu'aujourd'hui, même plus ancien que le siècle dernier. Dès 1890, l'inventeur russe Nicholas Yagn de l'Université de Saint-Pétersbourg a breveté "un appareil qui facilite la marche, la course et le saut". L'exosquelette primitif de Yagn n'avait pas de moteur, mais était soutenu par de longs ressorts élastiques tendus entre les épaules et les chevilles du porteur, dynamisant ses mouvements.
Soixante-dix ans plus tard, dans les années 1960, l'américain General Electric lance le premier exosquelette motorisé. Les Américains pensaient que leur "Hardiman" permettrait à un travailleur en semaine de soulever une charge pouvant atteindre 680 kilogrammes comme s'il s'agissait d'une tasse de café. Le résultat était assez décevant. Le croisement entre un chariot élévateur et un robot, avec de la place à l'intérieur pour un petit être humain, ne pouvait atteindre que la moitié de cet objectif et pesait plus du double. De plus, jusqu'à présent, aucun travailleur ne portait de Hardiman, car l'appareil continuait à convulser de manière incontrôlable, puissamment et n'était jamais jugé suffisamment sûr.
Après Hardiman, les exosquelettes sont restés silencieux pendant un certain temps, mais ils ont fait leur retour ces dernières années. Et pas seulement en laboratoire. Le constructeur automobile allemand Audi teste actuellement quelques prototypes de sa "Chairless Chair", littéralement "chaise sans siège", qui permet aux ouvriers de s'asseoir sur la chaîne de montage sans siège tout en travaillant. En même temps, l'exosquelette améliore la posture et réduit la charge sur les articulations.
Le 'Hybrid Assistive Limb' (HAL) du Cyberdyne japonais a une fonction de soutien similaire pour les infirmières qui doivent déplacer des patients lourds. Et LOPES II de l'Université de Twente facilite le travail des physiothérapeutes dans un certain nombre de centres de réadaptation néerlandais. Le robot de rééducation aide les patients atteints de troubles neurologiques à réapprendre à marcher, de sorte que les kinésithérapeutes n'ont plus à faire cet appui manuellement, une tâche physiquement très éprouvante.
Chacune de ces percées montre que les exosquelettes arrivent vraiment. Pourquoi a-t-il fallu si longtemps ? "Quand vous regardez Hardiman, vous savez pourquoi", déclare Philippe Malcolm. « Il est gigantesque, difficile à contrôler et se déplace de manière lourde et maladroite. De nombreux progrès technologiques étaient nécessaires dans les domaines de la miniaturisation, de la technologie des batteries et des matériaux légers. De plus, ce n'est que la dernière décennie que les développeurs d'exosquelettes ont déplacé leur attention de la simple technologie vers l'interaction entre les humains et les machines.
En plus des techniques issues des sciences de l'ingénieur, ils se sont également penchés sur la physiologie de l'exercice et l'analyse du mouvement. Cette nouvelle approche était nécessaire pour rendre les exosquelettes "plus naturels". Notre propre système musculo-squelettique est si efficace que vous ne pouvez pas simplement l'améliorer. C'est pourquoi on s'est rendu compte qu'on ne peut pas construire un exosquelette sans étudier en profondeur l'interaction entre le robot et l'homme, et que c'est toujours le robot qui s'adapte aux mouvements naturels de l'être humain, jamais l'inverse.
Grâce à cette approche, le robot de cheville de Gand est devenu une percée mondiale en 2013. «Le moment auquel le muscle artificiel entre en action pendant la marche est crucial. Après tout, la contraction du muscle artificiel doit être en harmonie avec le schéma de marche biologique afin de ne pas être une nuisance. Trouver ce moment idéal s'est avéré être un problème pendant longtemps. Les développeurs ont programmé le timing dans leur exosquelette sur la base de données de référence sur l'action musculaire pendant la marche normale. Nous sommes partis de la pratique. Nous avons demandé à des volontaires de marcher sur un tapis roulant avec le robot de la cheville pendant que nous enregistrions leurs habiletés motrices et leur consommation d'oxygène. Par la suite, en faisant varier systématiquement le moment et la quantité de soutien du robot de cheville, nous avons pu trouver le fonctionnement le moins dérangeant ou le plus "naturel" du robot de cheville.
Par exemple, nous avons découvert qu'il valait mieux que le robot commence à appuyer un peu plus tard que le point idéal théorique pour ne pas gêner le porteur.» L'exosquelette a été le premier au monde à réduire le coût métabolique de la marche. En d'autres termes, marcher avec l'exosquelette pour la première fois a demandé moins d'efforts que marcher sans. "Le gain d'énergie pour ce modèle est de six pour cent par rapport à la marche normale. Traduit librement, cela signifie que les personnes avec l'exosquelette peuvent marcher six pour cent plus loin, 0,2 kilomètre par heure plus vite ou avec vingt pour cent de bagages en plus sur le dos avec la même quantité d'énergie provenant de la nourriture qu'avec des chaussures normales, ce qui est quelque chose pour les soldats ou les aventuriers qui parcourent de grandes distances à pied, souvent avec une lourde charge sur le dos, seraient une petite mais importante aide.'
Selon Malcolm, le gain énergétique peut être beaucoup plus élevé. "En fait, le bénéfice est déjà de seize pour cent. Mais en raison du poids du robot de cheville et des désagréments causés par son port, le porteur consomme dix pour cent d'énergie supplémentaire, ce qui donne un gain net de 6 pour cent. Si nous rendons le robot plus léger, nous pouvons minimiser cette perte. Après cela, des gains peuvent également être réalisés au niveau des genoux et des hanches. Divers groupes de recherche visent un bénéfice net total de 25 %.'
Le squelette de la cheville de Gand est attaché à un appareil à air comprimé. Vous ne pouvez pas aller plus loin que le tapis roulant avec. Selon Malcolm, déconnecter les deux n'est pas le premier objectif de la recherche à l'Université de Gand. « Il reste encore beaucoup à apprendre sur l'interaction entre le robot et l'utilisateur. Nous savons maintenant comment les personnes en bonne santé bougent avec. Mais qu'en est-il des personnes moins mobiles ?'
Si vous récupérez votre propre énergie de freinage, vous n'avez pas besoin d'emporter de batterie
Pour trouver une réponse à cette question, le biomécanicien Dirk De Clerck et le doctorant Samuel Galle, les collègues de Malcolm à l'Université de Gand, testent actuellement la façon dont des septuagénaires marchent avec le squelette, en collaboration avec des chercheurs du département des sciences de la réadaptation. "Les exosquelettes pourraient garder les personnes âgées mobiles plus longtemps en leur donnant le sentiment qu'elles ont à nouveau les jambes d'un jeune de vingt ans", précise-t-il sur l'ambitieux objectif.
«Comparez-le avec les vélos électriques populaires que les personnes âgées utilisent pour durer plus longtemps lors de leurs promenades dominicales. Mais pour réaliser cela également pour les robots marcheurs, les développeurs doivent très bien savoir comment les seniors interagissent avec ces robots, quel support ils peuvent gérer et comment il doit être administré. Après tout, le système musculo-squelettique d'un soixante-dix ans ne peut être comparé à celui d'un vingtenaire. Nous recueillons ces informations en laissant les personnes âgées marcher sur le tapis roulant avec notre exosquelette. D'ailleurs, les premiers résultats sont positifs. Les seniors sont très enthousiasmés par les jambes du robot.”
La connaissance de l'interaction entre les humains et les machines est déjà utilisée dans des exosquelettes qui devront bientôt descendre dans la rue. Un an après la percée de Gand, en 2014, le Massachusetts Institute of Technology (MIT, États-Unis) a présenté le premier exosquelette portable qui facilite la marche, avec un contrôle basé sur les directives de la recherche de Gand. La TU Delft et l'Université de Twente travaillent également sur un tel exosquelette autonome. Leur projet Symbitron est destiné à aider les patients souffrant de paralysie cérébrale ou de SEP, et donc de troubles musculaires.
Philippe Malcolm a lui-même répondu à une demande du prestigieux Wyss Institute de l'université d'Harvard pour rejoindre le groupe de recherche qui développe une exocombinaison motorisée que les soldats portent sous leurs vêtements. L'institut de défense américain DARPA a investi pas moins de 2,9 millions de dollars dans ce projet. L'exosquelette est différent de tous les précédents. Plus de tiges rigides ni de coques, mais une combinaison souple qui se cache sous les vêtements.
«Le squelette a été remplacé par des textiles innovants contenant des câbles dits Bowden, que nous connaissons mieux sous le nom de câbles de frein de vélo. Le moteur et la batterie sont attachés à un sac à dos, et l'entraînement est transporté le long du corps jusqu'aux articulations via les câbles flexibles. Cela a l'avantage supplémentaire de ne plus avoir à accrocher le disque à hauteur de la cheville, ce qui est gênant à cause du poids.'
Bien que les batteries de l'exosuit DARPA soient soigneusement rangées dans un sac à dos, elles restent un casse-tête pour les développeurs. Après tout, ils forment toujours un poids supplémentaire et ils peuvent s'épuiser. "La génération actuelle de batteries est déjà très efficace et portable", explique Philippe. «Avec l'exosquelette autonome du MIT, par exemple, vous pouvez marcher dix kilomètres avant que la batterie ne soit vide. Cela suffit pour un usage quotidien, mais ce serait encore mieux si les combinaisons de robots étaient également alimentées en énergie sans alimentation externe.'
Cette énergie nécessaire peut être recyclée à partir des mouvements de freinage dans notre corps. «Nos muscles ne se contentent pas de propulser, ils ralentissent également les mouvements tout aussi souvent. Par exemple, à la fin de la phase oscillante du mouvement de marche, l'extension du genou est ralentie pour éviter de trop étirer nos genoux. Cette énergie de freinage peut être recyclée selon un principe similaire à la régénération de la puissance de freinage des voitures hybrides. Vous pouvez stocker cette énergie dans une batterie et l'utiliser plus tard pour soutenir les muscles, mais il est beaucoup plus efficace de transférer l'énergie directement d'une articulation qui effectue un mouvement de freinage à une articulation qui assure la propulsion.'
Début avril, des chercheurs de la North Carolina State University et de la Carnegie Mellon University ont décrit dans la revue Nature un squelette de cheville fonctionnant selon ce principe. L'appareil fonctionne parallèlement au muscle du mollet, mais uniquement sur l'élasticité, donc sans moteur ni batterie. Un ressort commence à s'étirer lorsque l'avant-pied touche le sol, puis libère cette énergie stockée pendant la phase de poussée du pied. De cette façon, l'exosquelette soulage les muscles du mollet, ce qui, selon les chercheurs, procure un gain d'énergie métabolique de 7 %. La publication est un autre pas en avant, car le squelette de la cheville peut fournir un soutien sans fin sans avoir besoin d'être rechargé.
Avantage supplémentaire :la simplicité de l'exosquelette permet de le produire à moindre coût. Parce que l'abordabilité est peut-être le plus grand obstacle que les développeurs doivent encore surmonter avant que leurs exosquelettes n'apparaissent dans les rues. Par exemple, REX, un robot d'assistance mobile néo-zélandais qui est sur le marché depuis 2011, coûte plus de cent mille euros. « Le matériau qui compose les exosquelettes doit être à la fois puissant et léger. Cela le rend presque par définition coûteux », déclare le roboticien Bram Vanderborght de la Vrije Universiteit Brussel. Il est impliqué dans le projet européen MIRAD, qui vise à commercialiser un robot mobile d'assistance aux personnes âgées. « Différents groupes de recherche développent donc des exosquelettes plus minimalistes, et donc plus abordables. Une autre option est un exosquelette qui ne prend en charge que les mouvements de base nécessaires, tels que se lever, s'asseoir, marcher et monter et descendre un seuil.'
À l'autre extrémité du spectre se trouvent les exosquelettes qui offrent un soutien complet aux personnes paralysées. En 2012, Claire Lomas fait l'actualité mondiale. L'athlète a été complètement paralysé après un accident de voiture, mais grâce à l'exosquelette Rewalk de l'israélien Argo Medical Technologies, il a quand même pu terminer le marathon de Londres, bien qu'en dix-sept jours. L'organisation flamande To Walk Again possède également un exosquelette - Ekso - qui aide des personnes telles que le triathlète Marc Herremans, devenu paralysé en 2002, à se relever et à marcher à nouveau. "Ces exosquelettes ne remplacent pas encore les fauteuils roulants", déclare Bram Vanderborght.
«Les mouvements sont encore trop lents et en bois pour cela. Pour les personnes paralysées, un exosquelette doit fournir non seulement du mouvement, mais aussi de la stabilité. Cela rend la marche intuitive beaucoup plus difficile. Lorsque nous marchons, nous tombons en fait constamment, donc en déséquilibre, mais en continuant le mouvement, nous ne tombons pas. Simuler ce mouvement dans un exosquelette est extrêmement difficile.'
Pendant ce temps, Vanderborght et son équipe de la VUB se préparent pour le Cybathlon, les premiers Jeux olympiques pour athlètes bioniques qui se dérouleront en Suisse en octobre 2016. Au programme, des compétitions pour les porteurs de prothèses et d'exosquelettes. L'objectif est de stimuler la recherche sur ces technologies. La compétition la plus accrocheuse est peut-être celle des interfaces cerveau-ordinateur, où les participants contrôlent des avatars dans un jeu informatique avec leur cerveau. « Avec le temps, il deviendra peut-être possible de connecter des exosquelettes ou des prothèses directement au cerveau des personnes paralysées, afin qu'elles puissent contrôler leurs 'nouvelles jambes' de manière intuitive et donc naturelle. Nous n'en sommes pas encore là, mais cela me semble être un objectif ambitieux.'
