Bruno Watier, membre de l’équipe Gepetto, élu président de la Société de biomécanique

Bruno Watier, chercheur au LAAS-CNRS et professeur à l’université Toulouse III Paul Sabatier, vient d’être élu président de la Société de biomécanique. Cette société savante, fondée en 1976, a pour mission de promouvoir les recherches dans les domaines de la biomécanique que l’on pourrait traduire par la mécanique des organismes vivants. À la frontière de nombreuses disciplines comme la physiologie, l’anatomie, la physique, les neurosciences, la mécanique ou encore la robotique, la biomécanique s’applique dans des domaines très variés.

Cette association de scientifiques fédère l’organisation de son congrès annuel, la remise de différents prix mais aussi le soutien de chercheurs à leurs demandes de mobilités. Depuis 2019, elle s’intègre à une opération internationale de présentation de la biomécanique, la National Biomechanics Day, pour faire connaitre les applications de ce domaine au grand public. S’inscrivant ainsi dans l’organisation de la première édition de la Journée internationale de la biomécanique francophone, Bruno, alors membre du conseil d’administration, a co-organisé cet événement qui avait eu lieu au Palais de la découverte de Paris. La prochaine édition est prévue en 2022 à l’École nationale supérieure Louis-Lumière de Lyon.

La biomécanique pour prévenir les risques de chute

Bruno Watier réalise ses recherches au sein de l’équipe Gepetto – Mouvement des Systèmes Anthropomorphes du LAAS-CNRS. Ces dernières se concentrent sur l’analyse, la modélisation et la simulation des mouvements humains avec de multiples applications destinées à l’étude du geste sportif et l’amélioration de la performance, l’étude de l’instabilité de la marche ou encore la génération de mouvements de systèmes robotiques en interaction avec l’homme. Les derniers travaux de Bruno qui s’intitulent « Segmental contribution to whole-body angular momentum during stepping » ont récemment été publiés dans la revue Scientific Reports. Réalisés en collaboration avec l’Université de La Réunion, ils abordent les paramètres mécaniques permettant de prédire les risques de chute en particulier chez les personnes âgées. En étudiant les mouvements du système musculo-squelettique lors de tâches de locomotion, les chercheurs ont pu démontrer une augmentation critique de certaines quantités de la dynamique des sujets, comme le moment cinétique ou la distance entre le centre de masse des sujets et un axe représentatif des forces d’appui au sol. Ces indicateurs peuvent ainsi être considérés comme de puissants outils de prévention des chutes s’ils peuvent être quantifiés en temps réel.

Un appareil de mesure du mouvement humain en toute situation

Ces résultats ont nécessité l’acquisition d’un nouvel appareil par le département de Robotique de LAAS-CNRS permettant l'analyse du mouvement humain. À la différence des outils classiques d'analyse du mouvement, celui-ci (appelé X-sens) peut être utilisé en conditions écologiques, c’est-à-dire en situation naturelle. Ce dispositif suit en temps réel et à distance le mouvement d'un sujet avec de nombreuses applications au monde du sport, de la prévention des risques de chute ou encore de la réhabilitation pour des sujets amputés. Sur un terrain de sport, à la maison ou dans l’industrie, l’action des individus est suivie de façon précise en utilisant de nombreuses innovations concernant les capteurs embarqués (l’IMU) et permettant ainsi un transfert des données à distance. Avec les équipes techniques du laboratoire, l’équipe Gepetto a proposé une animation illustrant les travaux sur l’instabilité de la locomotion.

   
Analyse du mouvement à l’aide du procédé X-sens

L’instabilité, un critère prometteur et universel

Ces développements ont permis, en collaboration avec l’Institut de biomécanique humaine Georges Charpak de Paris (IBHGC), d’obtenir un financement de la Fondation de l’avenir pour la recherche médicale dans le cadre du projet PROTECTION (PRéventiOn des risques de chute par TEChnologies embarquées et soluTION de monitoring). L’objectif pour l’équipe de Bruno Watier est de valider un critère d’instabilité de la marche basé sur la distance entre le centre de masse des sujets et l’axe central du torseur des actions mécaniques de contact. Un critère prometteur puisqu’il a mis en évidence l’augmentation de ce paramètre de distance chez des sujets amputés transfémoraux (voir la figure ci-dessous). Il avait déjà démontré, dans de précédents travaux, cette augmentation lors de conditions d’instabilité augmentée (en vitesse rapide et de marche sur sol accidenté). Ainsi, les chercheurs ont validé un nouveau critère autre que celui communément utilisé par les biomécaniciens et roboticiens, le centre des pressions qui ne peut pas être utilisé dès lors que la locomotion s’effectue sur sol non plat ou en conditions de multi-contacts (avec une rampe ou une canne). Ici le critère est universel et peut être utilisé pour toutes les conditions de locomotion.
 

Comparaison des critères de stabilité de la locomotion entre sujets sains et sujets amputés transfémoraux

Les secrets de la marche bipède

Par ailleurs, dans le cadre du projet ANR HoBis, l’équipe Gepetto participe à la modélisation de la marche d’humains et de babouins équipés de marqueurs passifs afin de mieux comprendre l’évolution de la marche bipède. Le but étant de reconstituer les modes de locomotion dans l’environnement d’origine des espèces aujourd’hui disparus mais dont les squelettes partiels ou intacts nous sont parvenus : Orrorin, Australopithecus Afarensis, Homo Neanderthalis. Aux côtés de biomécaniciens et d’informaticiens du Muséum national d’histoire naturelle de Paris et du laboratoire Mouvement, sport et santé de Rennes (M2S) notamment, les chercheurs ont tout d’abord analysé la marche d’espèces bipèdes, principalement l’homme moderne et le babouin olive (bipède environ 2% de son temps de marche). Puis, après avoir extrait les éléments communs de la marche à ces différentes espèces, ils les ont réintroduits sur des modèles géométriques de squelettes. C’est là toute la spécificité de l’équipe Gepetto qui se charge tout spécialement de cette partie simulation dynamique en utilisant des logiciels Pinocchio et Crocoddyl qu'ils ont eux-mêmes développés.

Simulation de la locomotion par contrôle optimal sur modèle à 42 DDL et comparaison de la flexion-extension du genou sur sujet humain et modèle simulé

Analyse biomécanique de la locomotion bipède chez le babouin olive

Découvrez le reportage du journal Le Monde réalisé sur ce sujet, en partenariat avec le CNRS Le Journal : Comment marchaient Australopithecus, Homo habilis et nos autres ancêtres ou « cousins » ?
 

Pour aller plus loin sur les travaux de Bruno, lire l’article Des fauteuils « en or » pour les JO paralympiques 2024

©équipe Gepetto/LAAS-CNRS