Exosquelettes motorisés : les premières étapes avant Iron Man.

Qu’est-ce qu’un exosquelette motorisé ?

C’est une armature solide qui se place par dessus un être vivant. Elle se compose de parties fixes et de parties amovibles qui imitent nos bras et nos jambes. Les exosquelettes robotisés actuels ont pour but d’aider un être humain à effectuer a un mouvement.

Commande et fonctionnement.

Les programmes actuels portent sur des exosquelettes de jambes, de bras ou d’un ensemble bras+jambes. Ils fonctionnent à l’énergie électrique (moins de force, plus d’autonomie) ou hydraulique (plus de force, moins d’autonomie).
La commande de l’exosquelette se fait par les mouvements du corps (HULC, XOS 2, Hercule), un joystick (REX), des capteurs sur la peau (HAL, Ekso, ReWalk), un casque à encéphalographie (projet REX 2) ou un implant à la base du cerveau (EMY).

Applications.

Leurs applications premières sont à usage médical (rééducation, usage des membres chez les paralytiques, soulager des personnes âgées), secouriste (transport de blessés/malades, soulèvement de charges) et militaire (porter un sac lourd, soulever des vivres à bout de bras, se déplacer plus vite).
D’autres domaines sont directement concernés, on s’attend à voir arriver des exosquelettes sur les chantiers de construction, dans les usines.
Actuellement, on compte une dizaine de projets d’exosquelettes à des stades avancés dans le monde. Marcher malgré le handicap, aider les secouristes, porter des charges lourdes, courir plus vite, voici un tour d’horizon de ce qui se prépare dans le domaine des exosquelettes robotisés et des possibilités qu’ils offrent.
À notre retour du salon lyonnais Innorobo, nous vous présentions EMY (Enhancing Mobility). Ce programme d’exosquelette activé par la pensée, qui en est au stade expérimental, se propose de faire marcher des personnes atteintes de tétraplégie. EMY n’est pas le seul programme d’exosquelette en route dans le monde. Voici un tour d’horizon des projets en cours et de ce qu’ils proposent.

HAL (Cyberdyne) au Japon.

Le projet HAL est peut-être le plus avancé de tous. Nous l’avions évoqué il y a un peu plus d’un an lors d’une présentation au Ceatec à Tokyo. Cetexosquelette robotisé existe en 2 versions :HAL 3 (jambes uniquement) etHAL 5 (jambes, bras et torse). Il interprète les signaux (à la surface de la peau) que le cerveau envoie aux muscles pour reproduire les mouvements au niveau des articulations.HAL aide à la mobilité ou au port de charges lourdes, en revanche il ne peut rien pour ceux qui souffrent d’une incapacité totale.

Aujourd’hui, 330 de ces exosquelettes sont en service dans des hôpitaux au Japon, plusieurs modèles sont également utilisés sur le chantier de décontamination à Fukushima. Fin février, cet exosquelette a obtenu un certificat de sécurité international qui ouvre la voie à sa commercialisation à plus grande échelle.

HAL (Cyberdyne) au Japon..

Cette entreprise américaine créée en 2005 planche sur deux modèles d’exosquelettes.

Human Universal Load Carrier.

(HULC) est un exosquelette conçu pour l’armée. Il permet de porter 90 kilogrammes sur le dos tout en se déplaçant à une vitesse de 16 km/h. Sa batterie lui procure 8 heures d’autonomie. HULC n’a pas de capteur, il se commande de manière mécanique. L’exosquelette s’actionne avec les déplacements naturels de son utilisateur. Il prend en charge les efforts fournis par l’usager en appliquant une force vers le haut (lever la jambe, soulever un sac). En 2009, Ekso Bionics a conclu un accord exclusif avec Lockheed Martin, première entreprise mondiale de défense et sécurité, pour le déployer dans l’armée américaine.

Ekso est un exosquelette tourné vers le monde civil. Il permet aux paraplégiques de se lever d’une chaise roulante et de marcher en ligne droite à une vitesse de 3,2 km/h avec des béquilles. L’exosquelette fonctionne avec des capteurs de gestes et d’intentions de mouvement pour « actionner » les jambes. Il est utilisé dans des programmes hospitaliers de rééducation et sera proposé prochainement aux particuliers. Sa vente devrait être fortement limitée par son prix, Ekso étant aujourd’hui estimé à 100 000 dollars.

Vanderbilt (Vanderbilt University) aux Etats-Unis.

C’est un « exosquelette de jambes » pour assister les personnes souffrant de lésionsdelamoëlle épinière. Il permet à une personne paraplégique de marcher, se tenir debout, se lever, s’asseoir, monter et descendre des escaliers… Il utilise des capteurs pour déterminer l’état de l’utilisateur et ses intentions de mouvements, les transmettant aux articulations des hanches et des genoux pour provoquer la marche.

Rex (Rex Bionics) en Nouvelle Zélande.

Cette entreprise néo-zélandaise fondée en 2003 a présenté Robotic EXoskeleton en 2010. Ce modèle permet également à des paraplégiques de marcher. En revanche, son système est très différent de celui d’Ekso et Vanderbilt précédemment cités. Ici, la commande est manuelle, le conducteur fait marcher l’exosquelette avec deux joysticks. Cette première version de Rex est commercialisée mais son prix reste très élevé. En 2012, Rex Bionics s’est associé au professeur Jose Contreras-Vidal pour abandonner le système de joysticks. Ils travaillent conjointement sur le projet NeuroRex pour commander l’exosquelette à l’aide d’un casque à électroencéphalographie pour capter les signaux de mouvements du cerveau et faire avancer la machine. Les signaux captés par le casque seront faibles, mais ils suffiront à faire avancer les jambes en avant, conformément à la volonté de l’utilisateur.

ReWalk (ARGO Medical Technologies) en Israël.

C’est un exosquelette qui permet de marcher, tourner et monter/descendre des escaliers, avec des cannes anglaises pour assurer le soutien et l’équilibre. Le système utilise un capteur sur le torse du porteur pour détecter le mouvement vers l’avant et faire avancer les jambes, un peu comme un Segway.
En mai 2012, ReWalk a fait beaucoup parler de lui en permettant à Claire Lomas, une anglaise paralysée des jambes, de boucler un marathon en 16 jours. Elle est également la première personne à utiliser un tel exosquelette de manière quotidienne. Il faut dire que ReWalk coûte très cher ; son prix est approximativement de 85 000 dollars.

XOS 2 (Raytheon Sarcos) aux USA.

Il s’agit cette fois d’un exosquelette militaire pour aider les soldats à porter des vivres, des munitions ou encore déplacer des missiles… Son fabricant joue la carte Iron Man pour lui donner une image cool malgré son utilisation exclusivement militaire. XOS 2 a été présenté au public en 2009. On a peu de nouvelles de cet exosquelette depuis, mais d’après Army-technology.com, une version opérationnelle de XOS entrera dans l’armée américaine en 2015.

Hercule et EMY (Rb3d / CEA) en France.

Hercule est un exosquelette destiné au service de l’Etat ; militaires, pompiers et hôpitaux principalement. Il soulève 16 kg sans nécessiter d’effort de la part de son porteur. Son constructeur, Rb3d, espère monter cette charge à 40 kg sur son prochain modèle, Héraclès.

Cet exosquelette fonctionne entièrement avec l’énergie électrique, et sans capteurs ; il accompagne les mouvements naturels de son utilisateur. L’avantage par rapport à HULC (qui transporte 90 kg grâce à la force hydraulique) réside dans la batterie d’Hercule, qui offrirait une autonomie de 24 heures. D’autre part, transporter 16 ou 40 kg comporte moins de risque en cas de panne de l’appareil. Un humain serait en effet capable de soulever ce poids si la machine tombait en panne, tandis qu’il serait complètement bloqué avec 90 kg de charge en plus d’un exosquelette sur le dos.

EMY a fait l’objet d’un article dans nos colonnes.Cetexosquelette robotisé est certainement le plus ambitieux de tous, car il est le seul à s’attaquer à la tétraplégie totale. D’ici un an, ses créateurs espèrent faire marcher une personne qui n’a plus l’usage ni de ses bras, ni de ses jambes. La tâche étant trop compliquée pour être gérée par uncasqueàencéphalographie,l’activationdel’exosquelette se fera avec un implant posé à la base du cerveau. Lespremierstestsd’EMY sur des patients tétraplégiques auront lieu fin 2013, début 2014.

Nous avons posé plusieurs questions à Boris Morinière, un ingénieur-chercheur en robotique spécialisé dans l’architecture et le pilotage de robots. Il fait partie d’une équipe de 9 personnes dont 3 travaillent à temps plein et 6 autres à temps partiel sur la partie robotique de l’exosquelette, au CEA-Tech List. Une autre équipe, au CEA-Tech Leti, développe l’interface cerveau-machine pour transmettre les intentions de mouvements à l’exosquelette.

Pouvez-vous décrire comment est né l’exosquelette EMY ?Boris Morinière :
Le projet général est né il y a 5 ans autour des interfaces cerveau-machine.
Le CEA-Tech Leti a amorcé le projet qui consiste à redonner de la mobilité à un patient tétraplégique. Les chercheurs ont d’abord travaillé sur un implant qui est prêt pour être testé sur l’homme. Puis l’année dernière, le Leti a cherché un exosquelette que cet implant pourrait piloter. Les responsables du projet ont fait le tour des exosquelettes français, et celui du List est apparu assez naturellement. Notre équipe l’a adapté pour créer EMY autour de ce projet-là.

En amont de cela, un autre exosquelette 4 membres (NDLR : Hercule) a été développé par le CEA-Tech List, la DGA et une société auxerroise, Rb3d. L’objectif était différent : il s’agissait d’aider un militaire à porter des charges lourdes. Les résultats du projet étaient convaincants pour Rb3d qui a décidé de le continuer et d’industrialiser un exosquelette pour l’aide au port de charges d’abord pour les militaires et ensuite pour des applications civiles.

Y a-t-il un travail collaboratif entre les équipes d’EMY et d’Hercule ? Des relations avec les autres fabricants d’exosquelettes dans le monde ?

Les technologies clés de Hercule ont été développées au CEA-Tech List par les mêmes experts que ceux qui travaillent sur EMY. Maintenant que Hercule est terminé, ces mêmes personnes travaillent sur un nouveau projet d’exosquelette, Héraclès, lui aussi à usage militaire. Tous ces développements sont liés.

En revanche, il y a peu de liens avec les autres fabricants d’exosquelettes. Nous sommes au courant de leurs évolutions, nous suivons les travaux des autres équipes mais il n’y a pas de collaboration avec eux.

Quelles avancées technologiques ont permis récemment d’amener les exosquelettes en phase quasi-industrielle ?

Les avancées dans l’électronique de commande ont été assez déterminantes. La robotique (la robotique collaborative dont font partie les exosquelettes) nécessite de concevoir des commandes assez fines, en particulier pour contrôler les efforts qu’exerce un robot sur l’utilisateur afin d’assurer sa parfaite sécurité.

Par ailleurs, il était difficile auparavant d’avoir une batterie embarquée suffisamment puissante pour alimenter un exosquelette. Ces dernières années, il y a eu de grosses avancées sur les batteries à base de lithium. Les capacités des batteries des téléphones actuels sont assez incroyables par rapport qu’elles étaient il y a 3 à 5 ans !

Une troisième avancée d’une importance majeure a été la mise au point d’actionneurs réversibles, légers et à fortes capacités. Ces actionneurs ont un rôle similaire aux muscles humains sur unexosquelette. Ils permettent à la machine d’effectuer des mouvements similaires à ceux des hommes.Dans combien de temps pensez-vous que des exosquelettes motorisés seront accessibles au grand public ?

De tels exosquelettes sont déjà accessible aux paraplégiques. Rex est disponible en vente, il n’est pas donné mais il est accessible au grand public. Un paraplégique peut acheter Rex aujourd’hui, même si peu d’exemplaires ont été vendus pour le moment.

ReWalk est vendu autour de 80 000 $

Le prix de vente actuel de Rex se situe dans le même ordre de prix. Les exosquelettes Ekso, ReWalk, Vanderbilt et Rex pourraient être accessibles à partir de 2016 à un prix plus abordable. Entre alors en compte une problématique d’ingéniérie : il faut repenser les pièces mécaniques pour les fabriquer en plus grande série et diminuer le coût de fabrication des machines pour vendre ces exosquelettes en plus grand nombre. Leur prix n’atteindra probablement pas 2 000 euros, mais il pourrait s’approcher de celui d’un fauteuil électrique haut-de-gamme.

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Concernant les exosquelettes 4 membres, je ne pense pas qu’ils ne seront accessibles au grand public avant une dizaine d’années environ. Mais dans des contextes particuliers (centres de rééducation, entreprises, militaires), quelques personnes pourraient commencer plus rapidement à utiliser ces nouvelles machines de manière régulière.

Quelles applications voyez-vous pour les exosquelettes ?

Les premières applications possibles se trouvent dans les hôpitaux ou en clinique. L’exosquelette HAL est déjà en service dans certains hôpitaux japonais. Il sert pour la rééducation après un accident vasculaire cérébral, il aide les soignants à porter des patients. D’autres types d’exosquelettes auront une grande utilité dans l’assistance aux personnes handicapées.
L’assistance au port de charges que fournit un exosquelette peut être très utile pour les militaires et les pompiers. Par exemple, un exosquelette pourrait soulager les démineurs qui doivent porter une combinaison particulièrement lourde. Dans le monde civil également, on peut imaginer utiliser un exosquelette dans le BTP pour des travaux particulièrement difficiles, ou dans l’industrie pour aider à porter des pièces ou des cartons très lourds.

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