Que sont les exosquelettes et comment fonctionnent-ils ?

Les exosquelettes sont souvent représentés dans les films de science-fiction, et ils sont maintenant utilisés dans la vraie vie. Ils sont déjà courants dans certaines industries, comme la construction et la médecine, et leurs applications sont nombreuses.

Alors, à quoi servent-ils exactement ? Et comment fonctionnent les exosquelettes ? Dans cet article, nous examinerons certains des exosquelettes actuellement utilisés.

Que sont les exosquelettes ?

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Les exosquelettes sont essentiellement des machines portables qui offrent des capacités d’augmentation humaine. Selon sa fonction, un exosquelette peut être constitué de matériaux durs (comme le plastique ou le métal) ou de matériaux mous (comme le tissu). De plus, certains peuvent être motorisés ou électriques, et d’autres sont simplement mécaniques et non alimentés.

Le plus souvent, un exosquelette améliore les capacités du porteur d’une manière ou d’une autre. Les exosquelettes ont plusieurs utilisations, notamment :

• Augmentation de la force et de la productivité.
• Réduire la fatigue.
• Minimiser les blessures.
• Fournir un soutien.
• Fonction de retour (en cas de paralysie ou de blessure).

Comment fonctionnent les exosquelettes ?

Selon le type et la fonction de l’exosquelette, ils peuvent fonctionner très différemment. Les deux grandes catégories d’exosquelettes sont les exosquelettes mécaniques et motorisés, que nous décrirons ci-dessous.

Exosquelettes passifs

Les exosquelettes passifs ne sont pas alimentés et fonctionnent principalement mécaniquement en redistribuant le poids d’une partie du corps à une autre. Une façon courante de travailler consiste à prendre le poids des bras et des épaules et à le répartir sur les muscles du tronc ou des jambes. De cette façon, les bras se fatiguent moins et le poids est mieux réparti, ce qui réduit les risques de fatigue et de blessure.

Exosquelettes motorisés

Les exosquelettes électriques, d’autre part, peuvent ajouter de la force et de la fonction au porteur. Cependant, comme ces exosquelettes nécessitent de l’énergie, ils sont généralement plus lourds et plus volumineux pour permettre le matériel et les batteries. Ils ont également besoin d’être rechargés et peuvent avoir une courte durée de vie de la batterie, ce qui peut être un inconvénient dans les industries en évolution rapide.

Types d’exosquelettes

Il existe divers exosquelettes déjà utilisés. Beaucoup d’entre eux sont dans l’industrie de la construction et sont conçus pour améliorer la productivité et la sécurité des travailleurs.

Gants de puissance

Des gants puissants tels que le Bioservo Ironhand détecter les actions d’un utilisateur via des capteurs dans le gant. Lorsque le gant détecte que le porteur est sur le point de saisir un objet, l’Ironhand augmente la force de préhension du porteur. La force varie en fonction du poids détecté de l’objet.

Soutien du haut du corps

Les exosquelettes conçus pour soutenir le haut du corps redistribuent le poids des bras et des épaules vers d’autres parties du corps, y compris le tronc et les jambes. Cela réduit la tension et la fatigue associées aux activités aériennes telles que le levage, le plâtrage, la coupe et le forage.

Ceux-ci fonctionnent généralement en fournissant un cadre métallique qui entoure la poitrine ou le noyau. À partir de là, une tige métallique (ou une autre technologie de répartition du poids, telle que des poulies ou des ressorts) s’étend jusqu’aux bras, fournissant un contrepoids à la charge de travail.

Un exemple de ceci est L’exosquelette de la cellule de Levitate Technology. La cellule utilise un système de poulie pour réduire l’effort jusqu’à 80 % lors de la tentative de tâches aériennes. Les poulies s’activent lorsque l’utilisateur lève les bras et se relâchent progressivement lorsqu’il les abaisse. Un autre exemple est celui des soins de santé, où un prototype de combinaison est utilisé pour aider les infirmières à monter et descendre des patients sur les lits.

Support accroupi et debout

 Crédit image : TechCrunch/Creative Commons

Lorsqu’un utilisateur s’accroupit, un exosquelette du bas du corps se verrouille en place pour supporter le poids de son corps afin que ses jambes et ses genoux n’aient pas à faire de travail. Cela permet également aux travailleurs de s’asseoir et de soulager leurs jambes, ce qui est important pour ceux qui restent debout pendant de longues heures.

le jambeX de suitX est un exemple d’exosquelette à support accroupi. Il est livré avec des bottes de travail personnalisées et des options de ceinture à outils et utilise des capteurs pour détecter quand le porteur est accroupi, debout ou en train de marcher, en fournissant un soutien si nécessaire.

Exosquelettes corps entier

Les exosquelettes du corps entier, comme leur nom l’indique, fournissent un soutien à tout le corps. Une l’exemple est le suitX qui soulage le porteur lorsqu’il se penche, soulève des objets au-dessus de sa tête, s’accroupit ou se tient simplement debout. Le suitX utilise des ressorts à air comprimé et des mécanismes d’assistance.

Plusieurs exosquelettes sont en cours de développement, offrant un mouvement de retour aux personnes handicapées et blessées (comme celles qui ont subi un accident vasculaire cérébral ou des blessures à la colonne vertébrale qui ont perdu la capacité de bouger leur corps).

En fait, il existe déjà quelques exosquelettes du bas du corps qui assurent cette fonction. Dans le milieu de la santé, ces exosquelettes motorisés permettent aux patients de porter leur poids et de marcher à nouveau. Certains d’entre eux fonctionnent en prenant l’activité cérébrale et en la traduisant en mouvement (contrôle de l’exosquelette avec votre esprit).

Défis et limites des exosquelettes

Il y a plusieurs défis à surmonter avant que les exosquelettes ne deviennent plus utiles, bon marché et courants.

Source d’énergie

Un exosquelette motorisé nécessite une source d’alimentation. Le fait que des câbles sortent d’un exosquelette crée un problème de sécurité et d’efficacité, de sorte que les batteries sont beaucoup plus adaptées. Mais les batteries doivent être chargées et remplacées fréquemment. Les batteries ajoutent également un poids important à l’exosquelette, ce qui peut compliquer sa conception et son efficacité. Cela signifie que nous pourrions avoir besoin de progrès significatifs dans la technologie des batteries pour des exosquelettes viables et à haute puissance.

La société de développement d’exosquelettes, Sarcos, travaille sur le Guardian XO, qui peut fonctionner sous 500 watts (beaucoup moins que la plupart des concurrents) pendant plus de 8 heures et dont les batteries sont remplacées sans éteindre l’exosquelette.

Matériaux et poids

Un autre défi important consiste à trouver des matériaux solides mais légers que l’exosquelette n’a pas à travailler pour soulever son propre poids, tout en étant abordables. La fibre de carbone et les matériaux similaires sont généralement suffisamment solides et légers, mais assez chers. L’acier, bien qu’assez solide, est souvent trop lourd et réduit ou ruine l’efficacité d’un exosquelette.

Flexibilité et activation des articulations

 Crédit d’image : Commandement du développement des capacités de combat de l’armée américaine /Creative Commons

Enfin, un exosquelette doit à la fois bouger avec le corps humain et fournir de la force ou du soutien. Cela signifie qu’il doit avoir des articulations qui correspondent à l’amplitude de mouvement des membres humains (et de la colonne vertébrale) tout en étant suffisamment puissant pour faire son travail. C’est plus difficile qu’il n’y paraît à première vue !

Les exosquelettes souples sont bien meilleurs que les exosquelettes durs en termes de flexibilité mais offrent beaucoup moins de soutien (jusqu’à présent). Et il existe plusieurs technologies utilisées pour fournir la puissance derrière les articulations. Un exemple intéressant est le muscle à air pneumatique qui fonctionne de manière très similaire aux muscles humains, sauf qu’il utilise de l’air sous pression.

L’avenir du travail

Au fur et à mesure que les exosquelettes deviendront plus avancés, nous les verrons probablement devenir beaucoup plus courants dans plusieurs industries. Ils sont déjà assez courants dans les secteurs de la construction, de l’automobile et de l’agriculture, où ils aident les travailleurs à soulever plus longtemps avec un risque réduit de fatigue et d’autres blessures.

D’autres industries, y compris la santé et l’armée, verront probablement plusieurs applications des exosquelettes dans un proche avenir. Par exemple, les exosquelettes seront probablement utilisés pour restaurer la fonction des victimes de paralysie et de blessure et améliorer les soldats sur le terrain.