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Exosquelette (humain)

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Pour les articles homonymes, voir Exosquelette.

Exemples de différents types d’exosquelettes[1]


Un exosquelette est une structure mécanique externe portable qui augmente, permet, assiste ou améliore le mouvement, la posture ou l'activité physique grâce à une interaction mécanique avec le corps de l'utilisateur, et dont les articulations correspondent à celles d'une partie du corps humains[2],[3].

Un exosquelette n'est pas une prothèse qui est un dispositif qui remplace une partie du corps, alors que l'exosquelette le supplée[4]. Certains exosquelettes sont actifs i.e. motorisés grâce à un dispositif mécatronique, alors que d’autres sont passifs.

Leur apport peut être d'accroître les capacités physiques (amplification)ou de rééduquer le système musculosquelettique (réhabilitation) [5].

Les premiers contextes d’usage ont été médicaux et militaires, mais se sont élargis depuis, principalement aux contextes de travail [6].

Les exosquelettes reprennent généralement la cinématique du (ou des) membre(s) humain(s) ou de la partie du corps bénéficiant de l’assistance (le dos par exemple).

Premiers développements

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Certains auteurs font remonter l’idée d’exosquelettes à l’antiquité et à des écrits de science-fiction[7]. Plus sérieusement, les prémices des exosquelettes se rattachent à des époques différentes selon le niveau d’élaboration technologique qu’on considère nécessaire pour qualifier un dispositif d’exosquelette. Ainsi, Selon Dufaisse[8], il existait dès les années 1880, des « bretelles américaines » vendues en France, qui se présentaient comme des dispositifs permettant de « soulager le dos, les courbatures, les fatigues et donner une nouvelle vie à la personne ». Dufraisse considère qu’on pourrait les qualifier aujourd’hui d’ «exosquelette passif souple ou exosuit». Pour des dispositifs plus proches de ce qu’on rencontre actuellement, il est généralement admis que les premiers développements d’exosquelettes ont démarré dans les années 1960, notamment avec le prototype Hardiman expérimenté par General Electric. il était conçu autour d’un cadre en aluminium et en acier sur lequel étaient montés des actionneurs pneumatiques qui permettaient le mouvement du squelette et disposait d’une puissante batterie pour chaque moteur. le tout pesait jusqu'à 680 kg et devait offrir la capacité de déplacer environ 100 kg[9],[10],[11]. Il s’agissait d’un exosquelette «corps entier» alors que les exosquelettes actuels sont souvent limités à une partie du corps .

Les premiers exosquelettes ont été développés pour des applications liées aux domaines militaires et médicaux (aide au mouvement pour les handicapés moteurs)[12],[11]. Bien que le prototype Hardiman était inutilisable, il intègre les mêmes composants qu’un exosquelette actif (motorisé) actuel : une source d'alimentation, des moteurs, un squelette mécanique et un logiciel. Les premiers exosquelettes avaient des cadres en aluminium et en acier, sur lesquels était monté un entraînement hydraulique avec une batterie lourde. Aujourd'hui, les constructions sont légères, et la conception de l'exosquelette vise à être pratique et flexible pour reproduire les mouvements humains et ne pas causer d'inconfort inutile à l’usager du dispositif d’assistance physique.

Les grands domaines d'applications et de recherche concernent la rééducation d'une personne ayant une perte de capacité fonctionnelle, l'amplification des capacités de l'homme « sain » [13] et la prévention des astreintes liées au travail physique, tel le port de charges, les mouvements contraignants ou répétitifs, les postures pénibles[14].

Classification

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Dufraisse suggère de distinguer les exosquelettes en fonction de la source d’énergie fournissant l’assistance à l’utilisateur. Ainsi y a-t-il lieu de considérer d’une par les exosquelettes dits « passifs » qui fournissent une assistance par la restitution d’énergie mécanique à l’aide de ressorts, de vérins ou d’élastiques, d’autre part les exosquelettes dits «actifs» qui fournissent une assistance par une énergie motorisée.

Dans le cas des exosquelettes passifs, on peut en outre distinguer des exosquelettes rigides ou souples en fonction des matériaux utilisés.

Parallèlement à ces deux catégories, il faut les distinguer en fonction de la partie du corps qu’ils soutiennent : dos, membres supérieurs, membres inférieurs ou corps entier[8].

Contextes d'usage

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Après une perte de capacité fonctionnelle

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Pour des situations de perte de capacité fonctionnelle liée à un accident ou à un handicap, on peut distinguer deux objectifs du dispositif:

  • Assister la rééducation neuromotrice, c’est-à-dire aider des personnes à récupérer des capacités motrices et à réapprendre à mobiliser la partie de leur corps concernée, lors de séances de rééducation effectuées sous la supervision d’un thérapeute[15],[16]. Les circuits neuronaux, du fait de la plasticité cérébrale, peuvent en effet bénéficier de l’entraînement assisté mécaniquement que l’exosquelette permet [17]. Par exemple, un simulateur de marche appelé HapticWalker, a été conçu en 2008 en Allemagne pour aider les patients victimes d'un AVC à réapprendre à marcher[18],[19].
  • Suppléer les fonctions motrices défaillantes non récupérables. Par exemple, la société Wandercraft a développé un exosquelette, dénommé Atalante X, visant à permettre à des personnes ayant des atteintes entravant leur marche de retrouver la possibilité de marcher[20],[21]. De même, La société israélienne ReWalk Robotics a développé ReWalk, un exosquelette motorisé léger, sensé permettre aux paraplégiques de marcher[22].

Dans le cadre du travail

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Récemment, l'intérêt pour l'utilisation des exosquelettes dans l’optique de réduire la charge physique des travailleurs soumis à des activités exigeantes a augmenté[23], car ces dispositifs peuvent offrir une alternative aux solutions existantes lorsque ces dernières ne sont pas praticables. Ces exosquelettes sont appelés exosquelettes professionnels. Dans ce contexte, s’il s’agit d’exosquelettes passifs, ce sont les mouvements de l'utilisateur qui mobilisent l'énergie stockée dans l’exosquelette passif et les forces sont distribuées pour protéger certaines parties du corps. L'amélioration visée des performances de l'utilisateur ne résulte pas d'une force physique supplémentaire, mais de la capacité à maintenir des positions épuisantes pendant une période plus longue, par exemple si le travailleur doit effectuer une tâche qui impose de garder les bras au dessus du corps.

Le développement d'exosquelettes motorisés vie à créer des outils qui amplifient la force que le travailleur peut déployer. Cela a toutefois un impact direct sur le travail et les conditions de travail des salariés qui sont appelés à les utiliser.Il faut cependant avoir à l'esprit que le poids de ces exosquelettes motorisés (9 kg) pose aussi la question de l'apparition éventuelle de nouveaux déséquilibres posturaux, d'uene désadaptation musculaire ou d'une charge mentale supplémentaire[24]. Les risques mécaniques ne doivent pas non plus être occultés : collision avec un autre opérateur ou un tiers, casse d’outils ou projection, écrasements, lésions articulaires (dues au dépassement des limites physiologiques humaines), frottement ou abrasion, défaillance du système[14].

« Avec ces technologies d’assistance physique, la sollicitation peut être réduite de 10 % à 40 % pour certaines tâches, réduisant la fatigue, ou limitant les forces de compression vertébrale. Dans ces cas, l’impression d’effort est réduite de 40 % à 50 % chez ceux qui les ont utilisées pour soulager les épaules. » remarque en 2018 Jean Theurel, responsable d’études au laboratoire Physiologie et mouvement au travail de l’INRS[25]. Depuis, des travaux à visée ergonomique ont tempéré cet enthousiasme[26].

Dans le contexte militaire

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Les administrations militaires se sont très tôt intéressées au développement d’exosquelettes. Loin de l’image du robocop véhiculé par le cinéma, i.e. d’un homme avec des capacités physiques amplifiées, c’est d’abord le poids des équipements du soldats sur les théâtres opérationnels qui a motivé les forces armées américaines. Du fait des évolutions technologiques, le soldat est vu aujourd’hui comme une plateforme de combat essentielle dans les conflits où l’information joue un rôle central. Afin de maintenir leur efficacité opérationnelle et de s’adapter à des missions variées, les soldats portent des charges de plus en plus conséquentes. En entraînement, celles-ci atteignent généralement 20 à 30 kg, tandis qu’en opérations, notamment en Irak, au Koweït ou en Afghanistan, elles peuvent dépasser 60 kg sur plusieurs jours, dans des environnements montagneux exigeants physiquement. Cette surcharge intégrant des équipements numériques limite la mobilité des troupes et entraîne des blessures avec une augmentation des accidents non liés au combat. Aux États-Unis, des centaines de milliers de blessures musculo-squelettiques ont été recensées, entraînant une diminution du nombre de soldats opérationnels. depuis 2010, les réformes pour perte d’aptitude physique en lien avec cette charge ont fortement augmenté, générant des coûts médicaux annuels se chiffrant en centaines de millions de dollars[27].

Ainsi, des dispositifs passifs ont été testés pour réduire la charge ressentie sur les jambes, le dos ou les épaules, diminuer la fatigue et le risque de blessures musculo-squelettique, faciliter le marché avec charges lourdes. les résultats sont toutefois mitigés, en particulier sur terrains accidentés[28].

De nombreuses solutions d’exosquelettes actifs ont été développées par ex le projet Hulc, et TALOS (Tactical Assault Light Operator Suit) qui visait à intégrer une armure-exosquelette complète avec assistance motorisée. Aucun n’a aboutit à un usage en théâtre d’opération[27].

Dans le sport

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Quelques exosquelettes visent spécifiquement des applications sportives[29].

Le marché de exosquelettes en 2024

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Une analyse du marché publiée en 2024[29] comptabilise 132 modèles d'exosquelettes construits par 72 entreprises réparties dans 22 pays. Il est à noter que 33 % des modèles d'exosquelettes ciblent des usages liés à la santé, tandis que 66 % ciblent le usages professionnels (des applications sportives sont marginales). Les entreprises qui produisent des exosquelettes sont souvent européennes, il y en a peu en Asie. 7 entreprises sont françaises, 12 allemandes et 13 américaines. 80 % des exosquelettes destinés au secteur médical sont actifs, alors que ceux qui ciblent des usages professionnels sont majoritairement passifs. Ces exosquelettes à usage professionnels sont conçus pour être polyvalents, il ne visent en général pas une activité précise. C’est toutefois dans la construction, l’industrie et la logistique qu’on a le plus de chance d’en rencontrer. Les exosquelettes médicaux visent à assister à 60 % les membres inférieurs, c’est l’inverse pour les applications professionnelles (dos et membres supérieurs).

Évaluation de l'intéret et des limites pour le monde du travail

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Plusieurs chercheurs ont mis en garde contre la surestimation des avantages et la sous-estimation des risques associés à l'utilisation des exosquelettes[30]. En 2018, des chercheurs français de l’INRS considéraient que ces dispositifs s’avéraient relativement efficaces pour limiter les contraintes musculaires locales avec des réductions de l'activité physiques des muscles concernés s'étalant de 10 à 60% par comparaison la même tâche réalisée sans équipement[31].

Il convient toutefois, au delà de la distinction entre exosquelettes passifs et actifs, d’examiner leurs apports selon la partie de corps assistée. On peut dès lors distinguer au moins huit types différents d’exosquelettes qui peuvent être utilisés pour améliorer la force et l’endurance humaines dans une phase spécifique d’un travail manuel[32]. Dans chaque cas, à côté des bénéfices attendus, les exosquelettes peuvent avoir pour conséquence négative de réduire la gamme des mouvements possibles de l’utilisateur et donc sa flexibilité psychomotrice, entraînant de nouvelles sources de troubles musculosquelettiques (TMS) et d’accidents. Une revue de la question publiée en 2020 permet de mettre en rapport les avantages attendus et les limites constatées pour ces catégories d’exosquelettes[32].

Type d’exosquelette Avantages attendus (effets positifs) Limites constatées (effets négatifs)
Gant motorisé (Power glove) Réduit jusqu’à moitié la force requise de la main pour effectuer une tâche. L’effort de la main dépend de systèmes musculo-squelettiques plus larges ; peut causer charges erratiques et contraintes dans d’autres zones que la main.
Exosquelette léger et modulaire Transfère la charge de travail vers la musculature du tronc, aidant à réduire l’effort musculaire localisé. L’utilisation fortement répétitive peut provoquer frottements aux points de support, pouvant entraîner inconfort ou fatigue.
“Chaise sans siège” (Chairless chair) Offre un support pour s’asseoir de manière intermittente sans chaise traditionnelle. Désalignement entre la hauteur standard du « siège » et la hauteur des tâches de travail → problèmes d’équilibre et tensions musculo-squelettiques.
Exosquelette corps entier en fibre de carbone Réduction des contraintes physiques lors des opérations de levage. Limite les rotations tridimensionnelles naturelles du corps humain, pourtant essentielles dans les gestes de levage réels.
Exosquelette corps entier à équilibrage gravitaire Soutien du poids d’outils lourds pendant le travail. Le bras d’équilibrage gravitaire offre souvent un soutien bidimensionnel, alors que les tâches requièrent des mouvements en trois dimensions.
Exosquelette léger motorisé Apporte une assistance mécatronique pour la manipulation de charges. Réduit les capacités de rotation du corps humain habituellement mobilisées dans l’activité de travail.
Exosquelette à membres additionnels motorisés Fournit un soutien supplémentaire immédiatement disponible dans des zones de travail à accès restreint. Introduit de multiples charges nouvelles et imprévisibles pour le système musculo-squelettique.
Exosquelette motorisé lourd (heavy-duty) Augmente fortement la force humaine pour le transport de charges lourdes. Réduction majeure de l’amplitude et de la liberté de mouvement du corps humain.

Tableau issu de l’article de Fox et al.[32]

L’Institut National de Recherche et de Sécurité et le groupe Afnor exosquelettes travaillent sur le sujet en collaboration avec des entreprises et les secteurs de l’automobile, de l’aéronautique et du TP/Génie Civil sont particulièrement intéressés[33]. En 2023, la norme française X35-800 propose une méthode d'intégration des exosquelettes[34],[35].

Une revue de question publiée fin 2024[26] s’est intéressée aux évaluations scientifiques des apports des exosquelettes pour réduire les risques de troubles musculosquelettiques liés au travail. Les chercheurs ont relevé 115 études pertinentes par rapport à ce sujet et en ont analysé une partie. L’analyse révèle que ces études se sont intéressées à 56 modèles d’exosquelettes passifs et à 11 modèles actifs. 32 exosquelettes ont pour finalité d’assister le dos, 26 les bras. Les chercheurs regrettent que la majorité des études aient été conduites en laboratoire ; très peu sur les lieux de travail. Les méthodes d’évaluation déployées sont très variées, allant de l’EMG aux évaluations subjectives. Les chercheurs préconisent le développement d’études en milieu de travail réel. D’autres travaux de synthèse de 2024[23] notent que l'utilisation d’exosquelettes dans des contextes professionnels reste rare pour de nombreuses raisons.

Par exemple, Les exosquelettes passifs du membre supérieur exigent un ajustement du couple d'assistance pour optimiser leur efficacité et leur acceptation par les utilisateurs. Cet ajustement permet de trouver un équilibre entre les bénéfices attendus et les effets indésirables, notamment au niveau de l'articulation de l'épaule. Cependant, aucune étude n'a évalué ces couples d'assistance dans des conditions statiques et dynamiques représentatives des situations de travail. Ricard et al. [36]montrent que des couples d'assistance maximaux en flexion (phase de restitution d'énergie) sont inférieurs de 20 à 36% à ceux en extension (phase de tension). En outre, le niveau d'assistance et les angles d'ouverture de l'exosquelette ont un fort impact sur les couples d'assistance, contrairement à la vitesse angulaire dans les conditions dynamiques, qui a un effet réduit. La quantification de ces couples d'assistance est cruciale pour évaluer leur impact biomécanique et ajuster l'assistance de l'exosquelette en fonction de l'opérateur et de la tâche réalisée.

Cas spécifique des activités de sport ou de loisir

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Les exosquelettes récréatifs ont pour but d'aider les personnes à pratiquer des activités récréatives, telles que la marche, la randonnée, le ski ou le sport[37],[38],[39]. En effet, un exosquelette peut aider une personne à pratiquer l’activité qu’il souhaite plus longtemps, avec moins de tension, ou de fatigue, ou à pratiquer une activité récréative qu'elle ne pourrait pas pratiquer sans exosquelette[40]. Un objectif commun aux exosquelettes récréatifs est lié au vieillissement en bonne santé [41] , en d'autres termes, il s'agit de permettre aux personnes qui vieillissent de continuer à pratiquer des activités qu'elles apprécient.

Notes et références

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  40. ↑ Edward Back, « Cet exosquelette promet de soulager vos genoux lorsque vous partez en randonnée », sur Futura, (consulté le )
  41. ↑ (en) Ava Lakmazaheri, Seungmoon Song, Brian B. Vuong et Blake Biskner, « Optimizing exoskeleton assistance to improve walking speed and energy economy for older adults », Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation, vol. 21, no 1,‎ (ISSN 1743-0003, PMID 38167151, PMCID 10763092, DOI 10.1186/s12984-023-01287-5, lire en ligne, consulté le )

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