Les exosquelettes
Tout d’abord il y a différentes fonctions pour les exosquelettes : militaire, sportive ou médicale et nous intéresserons bien sûr au domaine du médical.
Il faut faire attention à ne pas confondre prothèses et orthèses, en effet une prothèse remplace un membre (par exemple une prothèse de hanche), alors que l’exosquelette est une orthèse, c’est-à-dire un dispositif qui recouvre les membres, ainsi il est peu invasif et peut être installé facilement par le patient et s’adapter à son domicile sans conditions sanitaires spécifiques à respecter.
Fonctionnement du dispositif
Couplé au système nerveux de l'utilisateur pas des capteurs d'influx nerveux, l’exosquelette peut également suppléer les fonctions motrices d’un patient paraplégique et donner la possibilité de se mouvoir à des personnes paralysées ou handicapées dès la naissance.
Malgré une autonomie assez importante, l’utilisateur a besoin de kinésithérapeutes pour effectuer certains réglages.
La transmission d’informations se fait par l’intermédiaire des nerfs et des neurones. C’est par déplacement d’ions que l’information (ici appelée ‘ potentiel d’action’) se transmet. Arrivé au bout du neurone, le signal est transmis au neurone suivant par des synapses par un procédé bio chimique.
Les ions déplacés sont des ions sodium Na+ et potassium K+, or comme toute solution est neutre en raison des répulsions dues aux charges électriques, il a aussi une présence des ions chlorure Cl- et des ions calcium Ca2+. Ils génèrent un courant faible, d’un ordre de 100 mV.
Lorsqu’une personne veut effectuer une action simple comme se lever, marcher etc. le cerveau envoie des impulsions électriques jusqu’aux muscles. De légers signaux bioélectriques apparaissent alors sur la peau, ainsi grâce à des capteurs bioélectriques liés à la peau, le système de l’exosquelette les détecte pour assister le mouvement que l’utilisateur effectue.
Un ordinateur embarqué analyse immédiatement la puissance musculaire que l'utilisateur va utiliser. L'ordinateur calcule ensuite en fonction de ces données la puissance nécessaire à générer pour assister l'utilisateur.
Cet ordinateur commande ainsi les générateurs, qui actionnent les articulations et mettent le corps en mouvement à l'aide d'un système hydraulique.
Afin d'être efficace et utile, les tâches à effectuer doivent se dérouler en une fraction de seconde. Pour cela, les différents mouvements que l'homme peut accomplir sont liés à des actions précises, pré-enregistrées dans l'ordinateur de bord.
C'est un mode de fonctionnement particulièrement adapté pour les personnes handicapées dont les capacités physiques, notamment au niveau du système nerveux, ne permettent pas toujours d'envoyer ce signal bioélectrique permettant d'effectuer le mouvement désiré.
A côté de cela d’autres capteurs permettent de mieux prévoir et réaliser les mouvements, comme les capteurs d’angles entre les membres, ou des capteurs de réaction avec le sol. En effet si un homme, ne nécessitant aucune aide pour se tenir debout tout seul, porte un sac de 50 Kg, son sens de l’équilibre sera ainsi modifié. Les capteurs de position doivent donc, en fonction des résultats des capteurs bioélectriques, adapter la position afin de garder l’équilibre autour du centre de gravité de l’ensemble exosquelette-individu.
Alimentation du dispositif
Alors que les squelettes externes ont longtemps été filo-alimentés, de plus en plus de prototypes embarquent une ou plusieurs batteries électriques. L'autonomie opérationnelle dépasse cependant rarement les 20h pour un exosquelette assistant uniquement les membres inférieurs, et l'énergie nécessaire est considérable.
Des sources d'énergies renouvelables comme le solaire ne seraient donc, dans l'optique d'une autonomie illimité, d'aucune utilité tant l'avantage en matière d'apport énergétique serait faible par rapport à l'encombrement. Toutefois, il est envisageable d'embarquer un petit panneau solaire pliant pour recharger les batteries, lors d'une pause par exemple. L'emploi de matériaux piézo-électriques, c'est à dire produisant de l'électricité lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique, est une autre piste explorée.
Le problème que les scientifiques cherchent à résoudre est l’autonomie des batteries. En effet si on veut plus d’autonomie, automatiquement il faudra alourdir la batterie pour qu’elle contienne plus d’énergie, or tout cela va alourdir l’exosquelette et donc consommer plus d’énergie, on peut dire que c’est un cercle vicieux. Les scientifiques ne sont actuellement pas capables de créer une batterie plus légère qui puisse contenir plus d’énergie.
Ci-après, on va chercher à démontrer que l’énergie produite par un panneau solaire (d’une taille suffisamment petite pour être transporté), n’est pas suffisante pour pouvoir subvenir aux besoins énergétiques d’un exosquelette en mouvement mais qu’il pourrait combler les manques de ressources pendant une pause lorsque l’utilisateur est à l’arrêt.
Pour commencer, on cherche l’énergie utilisée pour effectuer quelques mouvements du quotidien qu’un utilisateur d’exosquelette est obligé de faire, de plus on choisit des valeurs réalistes pour être précises dans nos calculs et pour réussir à démontrer le problème :
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Pour faire un squat poids du corps (c'est-à-dire se lever d’une chaise par exemple) :
Pour une personne de 150 lbs (livres) soit 68 Kg :
Il y a une dépense de 306 calories par heure soit 306/ 3600= 0,085 cal soit une dépense de 0.085 cal/s
1 squat prend environ 2sec donc 2 x 0,085= 0,17 cal pour un squat.
Avec 1cal = 4,18 joules alors 0,17 cal= 0,71 joules pour un squat
Donc pour 100 squats 0,71 x 100= 71 joules
Et pour 1 heure de squat : une dépense de 306 cal = 1279 j
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Pour marcher :
Pour une personne de 150 lbs soit 68 Kg :
On dépense 170 cal pour une heure de marche soit 170/3600= 0,047 cal/s
Mais partons sur 1 h : 170 cal = 710,6 joules
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Conversion en Wattheure :
1 Wattheure = 3600 joules
-Squat : 0,71 j= env. 2,0.10-4 Wh
pour 100 : 71j= env. 2.0.10-2 Wh
pour 1h : 1279 j= 0,36Wh
-Marche :
pour 1h : 710,6j = 0,2 Wh or on part sur 10 h de marche maximum par jour soit
1700 calories soit 7106 joules soit env. 2,0 Wh.
Si on ajoute les deux actions on obtient 2,36 Wh auquel s’ajoutent beaucoup d’autres mouvements comme porter des charges, l’alimentation des différents capteurs nécessaires pour l’équilibre de la structure.
Pour expliquer les unités :
Un watt heure (Wh) correspond à une unité d’énergie ; elle permet de mesurer la quantité de travail réalisée ou générée.
Un watt (W) est une unité de puissance et la puissance correspond au débit de production ou de consommation de l’énergie. Les watts heure mesurent donc la quantité d’énergie consommée sur une période donnée alors que les watts mesurent la puissance nécessaire lors d’une unité de temps.
Le joule (symbole : J) est une unité pour quantifier l'énergie, le travail et la quantité de chaleur. Le joule étant une très petite quantité d'énergie par rapport à celles mises en jeu dans certains domaines, on utilise plutôt les kilojoules (kJ) ou les calories en nutrition.
Le watt-crête, (symbole : Wc) dans une installation photovoltaïque, c'est l'unité permettant de mesurer la puissance électrique maximale pouvant être fournie.
L'énergie stockée dans la batterie est égale à sa charge électrique en ampère multipliée par la tension moyenne en volt sous laquelle cette charge est déchargée. L'énergie stockée se mesure habituellement en watts-heures (Wh) mais l'unité officielle (SI) est le joule.
1 Wh = 3 600 J = 3,6 kJ
D’après ce site en moyenne, 10 m² de panneaux photovoltaïques génèrent chaque année entre 850 et 1 350 kWh
10 m² de panneaux photovoltaïques produisent 1 000 kWh par an.
D’après ce site un panneau solaire en silicium cristallin "moyen" du marché dispose d'un rendement de 17%. Le productible moyen lié à l'ensoleillement en France est de 1000kWh par kWc installé (à Lyon ou Nantes). Donc un panneau de 1m² aura une puissance moyenne de 170Wc et produira en moyenne (à Lyon ou Nantes) 0,170 kWc x 1000 kWh = 170 kWh/an. Cette production s'entend dans les conditions optimales d'orientation et d'inclinaison (Orientation sud et inclinaison 35°).
http://www.climatechallenge.be/fr/des-infos-en-mots-et-en-images/quelles-sont-les-solutions/lenergie-renouvelable/lenergie-solaire/panneaux-solaires-photovoltaiques.aspx D’après ce site la quantité d’électricité produite par une cellule photovoltaïque dépend naturellement du niveau d’ensoleillement. En hiver, elle produit moins d’électricité qu’en été. Des années très ensoleillées peuvent alterner avec des années moins lumineuses. Dans nos régions, un mètre carré de panneau solaire produit en moyenne 111 kWh/an. (Dans le Sud de l’Europe, cette quantité peut être doublée.)
D’après les différentes données étudiées sur différents sites pour plus de fiabilité :
On sait que 1 m² de panneau solaire peut produire environ, selon l’emplacement, l’ensoleillement, l’inclinaison etc. 100kWh/an dans de bonnes conditions.
Soit par heure (d’après les calculs) 100/ (365x24) = 100/ 8760= 0,0114 kWh soit
11,4 Wh ou moins.
Si on prend un panneau solaire de 30 sur 30 cm (il faut qu’il soit transportable) soit 900 cm2 soit 0,09 m2 qui peut se transporter dans un sac pour recharger les batteries à l’arrêt.
Donc proportionnellement un panneau solaire de cette taille produit :
0,09 x 11,4 = 1, 026 Wh soit 0,0171 Wh par minute. Tout cela dans de bonnes conditions climatiques.
Si on compare cet apport d’énergie à ce que l’on dépense, cela représente 43,5 % de la dépense calculée (qui est relativement petite par rapport aux réelles dépenses qu’on suppose beaucoup plus importantes).
Ainsi, nous venons de vérifier que le mode d’alimentation étudié, c'est-à-dire les panneaux photovoltaïques, ne peut donc pas comme il est dit dans nos recherches ci-dessus, combler les dépenses énergétiques d’un exosquelette pour paraplégique, il ne peut donc pas suppléer les modes d’alimentation actuellement utilisés (les batteries rechargeables). Mais comme il est aussi dit ci-dessus, ces panneaux solaires peuvent être utiles pour recharger un peu les batteries lors d’une pause.
Quelques exemples
Les exosquelettes sont très prometteurs dans de nombreux domaines, ils ont donc été développés au cours du temps par différentes entreprises.
Par exemple l’exosquelette ReWalk créé par la société israélienne Argo Medical Technologies, spécialisé dans la rééducation. Le prototype ReWalk est prévu pour remplacer la chaise roulante des paraplégiques.
Le système ordinateur de bord et les batteries sont embarqués dans un sac à dos (porté à la ceinture sur les autres modèles). L'utilisateur pourra également commander les mouvements grâce à une télécommande si les impulsions électriques de son système nerveux ne sont pas suffisantes.
Il y a aussi par exemple l’exosquelette Ekso, conçut par des chercheurs de l’université de Californie ainsi que par Ekso Bionics, une entreprise californienne spécialisée dans les exosquelettes. Entièrement pensé pour un usage médical, cet exosquelette pourra permettre aux personnes handicapées motrices comme les paralysées et les paraplégiques de marcher de nouveau. Il permet aux patients de se maintenir debout (avec l’aide de béquilles pour l’équilibre de la personne concernée) pendant plusieurs minutes, de marcher ou de rester en position assise. Sa masse est de 23 Kg distribué dans toute la structure de l’appareil, la vitesse de marche variera selon les personnes mais pourra aller jusqu’à 1,61 Km/h.
En juillet 2012, Philippe Pozzo di Borgo, tétraplégique à la suite d'un accident et inspirateur du film Intouchables, vient visiter le centre Clinatec situé sur le polygone scientifique de Grenoble, et donne à cette occasion son sentiment de confiance et d'admiration dans un programme de recherche lors d'un reportage sur France 3 Alpes1. Le programme en question, baptisé EMY pour Enhancing MobilitY, vise à implanter un dispositif à l'échelle nanométrique dans le cerveau afin de commander un exosquelette motorisé doté de 14 moteurs à l'horizon 2016.
Dans la vidéo sur le lien suivant, on peut observer un homme paraplégique qui, grâce à l’appui de béquilles, réussit à marcher sur quelques mètres, même si la vitesse de marche est très limitée.
Avenir
Pour l’avenir, les spécialistes en neuro-réhabilitation placent beaucoup d’espoir dans d’autres systèmes robotiques similaires à l’exosquelette, permettant les paraplégiques à effectuer quelques mouvements. Certains, comme le Lokomat (photo ci-dessus), sont déjà utilisés dans les centres de rééducation. Il s’agit de placer, sur les jambes des patients, des orthèses qui mobilisent et stimulent les fibres médullaires situées au-dessous de la lésion et qui entraînent ainsi les mouvements automatiques des muscles des membres inférieurs.
Cependant, lors de notre entrevue avec des personnes de la clinique du Grésivaudan, nous avons parlé de leur expérience des exosquelettes. D’après eux les exosquelettes sont des machines très encombrantes et très volumineuses, les patients qui testaient la machine mettaient 2h et demie pour faire 200m.
L’appareil déhanchait complètement la hanche, il n’y avait aucun déroulement de pied, il y avait beaucoup de bruit. Ce n’était donc pas une marche naturelle, un patient en fauteuil roulant aurait pu faire la même distance en quelques minutes.
De plus ces appareils sont excessivement chers (quelques milliers d’euros).
A Grenoble un laboratoire travaille sur l’exosquelette pour les tétraplégiques, mais il travaille plus sur le coté interface cerveau micro-processeur, c’est à dire comment extraire du cerveau le message et comment le coder pour une machine.
Après cela ils se concentreront sur l’aspect de l’appareil pour construire des robots très légers et robustes.
Ainsi il est possible de rendre une certaine mobilité à un paraplégique grâce à l’utilisation des exosquelettes, ces avancées techniques sont en effet capables de les faire déambuler ou marcher grâce à l’appui de béquilles. Dans ce cas là la déambulation signifie de marcher avec une aide. Mais le patient ne pourra dans aucun cas recouvrer la même mobilité qu’avant son traumatisme médullaire. Pour l’avenir ces machines sont une excellente piste à explorer pour améliorer la mobilité des patients paralysés jusqu’à la taille, mais pour l’instant elles ne leur permettent pas de retrouver la même vie que ces personnes avaient avant.