La machine s'inspire du corps pour l'aider

Exosquelettes, prothèses motorisées et intelligentes… Les images de science-fiction défilent. Des spationautes transformés en surhommes grâce à la force démultipliée de la machine, des hommes rendus indestructibles grâce à des membres bioniques. Ces Terminator et autres Robocop appartiennent-ils vraiment à la fiction ou au futur lointain? Pas tant que ça. Les applications concrètes dépassent largement le stade de l’expérimentation, particulièrement sur le plan médical.

Dans les centres de revalidation, après un accident à la moelle épinière, le patient peut régénérer son système neuronal en forçant le mouvement. Dans le cas d’AVC, il doit arriver à reconstruire des connexions neuronales pour récupérer l’usage de membres handicapés. Il y arrivera notamment par une visualisation du mouvement de manière répétée. Avec l’aide de la machine, son cerveau parvient alors à recréer les connexions nécessaires pour agir sur le muscle.

"Dans ce type d’applications, on est clairement sorti du laboratoire", précise François Heremans, chercheur au sein de la plateforme de l’UCL Louvain Bionics (voir encadré). Des centres de revalidation utilisent des robots quotidiennement pour faire marcher des patients. "On n’en est pas encore à faire marcher des tétraplégiques de manière autonome mais c’est une aide à la revalidation avec l’assistance du thérapeute."

Dans leurs applications médicales d’aide au mouvement, les prothèses et les exosquelettes doivent comprendre et parfois deviner la volonté de l’utilisateur alors que la machine ne dispose que de peu ou pas d’informations sur le mouvement à effectuer. "C’est relativement facile dans le cas des membres inférieurs, beaucoup plus complexe dans le cas des prothèses de bras ou des mains. Bouger des doigts pour attraper un objet est une opération infiniment complexe à modéliser", précise Heremans.

Des muscles virtuels

Les recherches mécaniques et électroniques ("mécatroniques") s’inspirent directement de la biologie. C’est l’atout principal de cette plateforme de recherche multidisciplinaire. "C’est la base de la démarche de bio-inspiration: comprendre par exemple ce qui rend la marche aussi efficace dans le corps humain pour la reproduire via une machine, explique François Heremans. Le corps humain est extrêmement complexe et même la médecine n’en détient pas encore totalement les clés. Les ingénieurs s’efforcent donc de faire des abstractions. D’en comprendre les grands schémas de fonctionnement pour les reproduire le plus fidèlement possible en spécifications mécatroniques."

L’un des champs de recherche de Louvain Bionics porte sur la reproduction virtuelle du travail des muscles humains dans le cerveau du robot. L’objectif est que les articulations du robot reproduisent le plus fidèlement possible celles du corps en termes de fluidité, de résistance, de force, de vitesse et de précision. Le moteur simule l’action du muscle.

Au cœur du problème: la miniaturisation d’une part, l’énergie d’autre part. "Concevoir des bras robotisés de grande ampleur est assez simple. On le fait déjà depuis longtemps. Mais réduire cette technologie à la taille d’une cheville et assurer l’autonomie de sa motorisation est un autre défi", fait remarquer le chercheur.

Au sein de Louvain Bionics, François Heremans planche notamment sur l’amélioration de l’autonomie de la machine. "S’astreindre à recharger une prothèse ou un exosquelette toutes les heures, ce n’est pas vivable. Comment peut-on faire pour limiter cet apport d’énergie? Plusieurs axes: réduire la consommation ou accroître la performance et la capacité de la batterie."

Les mécanismes doivent consommer le moins d’énergie possible. Avec des moteurs plus performants, des matériaux plus légers et qui limitent les frottements. "Il faut arriver à ce que l’utilisation de la machine soit transparente. En d’autres termes, que son utilisation ne réclame pas plus d’énergie que l’absence de motorisation."

L’un des points de recherche appliquée au sein de Louvain Bionics est le transfert d’énergie entre les différentes articulations. Pendant la marche sur sol plat, l’articulation du genou est quasiment tout le temps en train de freiner. Son mouvement vient de l’inertie du mouvement de balancier du bas de la jambe initié par la cheville. Comment récupérer cette énergie pour la stocker au profit des efforts demandés à la cheville qui elle est une grande consommatrice d’énergie?

Le moyen le plus simple de transférer l’énergie est d’utiliser des ressorts qui vont se tendre et se relâcher en fonction des mouvements et stocker ou donner de l’énergie. "Nous travaillons aussi sur des boîtes de transmission évoluées. Une sorte de boîte de vitesses dont les rapports s’adaptent en permanence et en temps réel", poursuit François Heremans.

Autre technique: l’énergie produite d’un côté est récupérée dans des batteries pour être utilisée ailleurs via des moteurs. "C’est une technologie comparable à celle utilisée en Formule 1 pour récupérer l’énergie du freinage ou de la décélération pour la stocker en vue des accélérations", poursuit François Heremans.

La bête noire du processus est le rendement. À chaque fois que l’on transfère de l’énergie d’un côté ou de l’autre, on en perd une partie. Il faut donc minimiser ces pertes. "On arrive aujourd’hui à des rendements similaires avec l’une ou l’autre option. La version électronique a évidemment des avantages en terme d’encombrement, d’énergie, de bruit…"

Trouver le bon langage

Ce n’est pas le tout de concevoir des machines qui reproduisent fidèlement le mouvement humain, encore faut-il créer l’interaction entre l’homme et la machine. C’est le point le plus délicat de la relation, le Saint-Graal de la prothèse. "On en est encore très loin actuellement. Cette relation bidirectionnelle entre le corps humain et la machine est encore de l’ordre du rêve ou presque", note François Heremans.

Le signal électrique envoyé par le cerveau humain pour initier un mouvement est très difficile à isoler, parce que ce "super-ordinateur" effectue une foule de tâches en même temps. Identifier la bonne impulsion envoyée par le cerveau est donc déjà un premier défi. Pour y arriver, les chercheurs tentent d’isoler le signal le plus en périphérie possible, là où il est le plus spécifique. Les signaux qui arrivent au bout du bras sont sans doute ceux qui sont destinés à contrôler la main.

Les stratégies actuelles travaillent surtout sur des méthodes de communication non-intrusives, qui permettent de décoder l’information via des capteurs sur la peau. En enregistrant l’activation musculaire, on pourra en déduire l’intention de l’utilisateur via des algorithmes. Pour faire remonter l’information, la prothèse ou l’exosquelette utilisera de petits vibreurs qui donnent une sensation localisée à l’utilisateur pour mesurer par exemple la force du contact. "Les travaux menés sur ce type d’implants permettent d’envisager des solutions opérationnelles dans les 10 ou 20 ans. Il y a des prototypes en phase de test qui donne de l’espoir."

Y mettre le prix

À l’heure actuelle, la plupart des prothèses, dites passives (non motorisées) utilisent une technologie vieille de plus de 20 ans mais qui a largement fait ses preuves pour des patients qui ont peu de besoin en terme de mobilité. Plus la demande est élevée et les exigences sévères, plus la technologie embarquée devra être présente. "Mais cette technologie a un coût de développement important et avant de réduire ce coût pour le rendre abordable, il y a encore énormément de travail. Une prothèse haut de gamme, mais d’ancienne génération coûte aujourd’hui près de 20.000 euros. Le coût d’une voiture! Plus du double pour un outil motorisé."

En corollaire du développement se pose évidemment une question éthique de l’accès du plus grand nombre à une telle technologie. Il existe aujourd’hui une vaste de gamme de composants et d’outils qui couvrent les besoins les plus basiques jusqu’aux utilisations les plus sophistiquées. Avec une gamme de prix allant de quelques centimes à plusieurs milliers d’euros. "Une simple prothèse pour un genou ne coûtera que quelques euros, mais si on y ajoute un moteur qui permettra de bloquer le genou en cas de déséquilibre, le prix en sera multiplié de manière exponentielle."

Le prix d’acquisition et de recherche est donc un des freins importants de cette technologie. "Nous travaillons beaucoup sur les tests cliniques et les applications finales pour démontrer aux instances publiques que cela vaut la peine d’investir pour rembourser tout ou partie du coût de ces prothèses. Beaucoup de gens pourraient en bénéficier mais n’en ont pas les moyens."