thumb|upright=1.5|Exemples de différents types d’exosquelettes
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.
Un exosquelette n'est pas une prothèse qui est un dispositif qui remplace une partie du corps, alors que l'exosquelette le suppléeLaschowski, B., McPhee, J., & Andrysek, J. (2019). Lower-limb prostheses and exoskeletons with energy regeneration: Mechatronic design and optimization review. Journal of Mechanisms and Robotics, 11(4), 040801. 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).
Les premiers contextes d’usage ont été médicaux et militaires, mais se sont élargis depuis, principalement aux contextes de travailAgrawal, A., Dube, A. N., Kansara, D., Shah, S., & Sheth, S. (2016). Exoskeleton: the friend of mankind in context of rehabilitation and enhancement. Indian J. Sci. Technol, 9(S1), 1-8..
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 Certains auteurs font remonter l’idée d’exosquelettes à l’antiquité et à des écrits de science-fiction. 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 Dufraisse, 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. Ce dispositif pesait jusqu'à 680 kg et devait offrir la capacité de déplacer environ 100 kgFick, B. R., & Makinson, J. B. (1971). Hardiman I prototype for machine augmentation of human strength and endurance.
accessible sur https://apps.dtic.mil/sti/html/tr/AD0739735/Makinson, J. B., Bodine, D. P., & Fick, B. R. (1969). Machine augmentation of human strength and endurance Hardiman I prototype project (No. S691116).
https://apps.dtic.mil/sti/html/tr/AD0692178/Skvortsova, A. Make a super hero out of me. Powered exoskeleton. Krasnoïarsk, Université fédérale de Sibérie, 15-25 avril 2016 , p. 38. IN Recueil des documents de la Conférence internationale des étudiants, doctorants et jeunes chercheurs «Prospect Svobodny-2016», consacrée à l'Année de l'éducation dans la Communauté des États indépendants. En ligne à https://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/21591/research_and_globalization.pdf?sequence=1#page=38. 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). 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 »Mubin, O., Alnajjar, F., Jishtu, N., Alsinglawi, B., & Al Mahmud, A. (2019). Exoskeletons with virtual reality, augmented reality, and gamification for stroke patients’ rehabilitation: systematic review. JMIR rehabilitation and assistive technologies, 6(2), e12010. et la prévention des astreintes liées au travail physique, tel le port de charges, les mouvements contraignants ou répétitifs, les postures pénibles.
Classification 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.
Contextes d'usage
Après une perte de capacité fonctionnelle 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. Les circuits neuronaux, du fait de la plasticité cérébrale, peuvent en effet bénéficier de l’entraînement assisté mécaniquement que l’exosquelette permet. 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. 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.Wandercraft dévoile Atalante X son nouvel exosquelette de rééducation, article sur l'Usine digitale, 14 avril 2022, lire ici. De même, La société israélienne ReWalk Robotics a développé ReWalk, un exosquelette motorisé léger, sensé permettre aux paraplégiques de marcher Ranit Mishori, A Human Exoskeleton, article publié sur le site du Washington Post le 06/05/2008 (disponible en ligne).
Dans le cadre du travail , l'intérêt pour l'utilisation des exosquelettes dans l’optique de réduire la charge physique des travailleurs soumis à des activités exigeantes a augmenté, 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. 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.
« 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.. Depuis, des travaux à visée ergonomique ont tempéré cet enthousiasme.
Dans le contexte militaire 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.
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.
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 abouti à un usage en théâtre d’opération.
Dans le sport Quelques exosquelettes visent spécifiquement des applications sportives.
Le marché de exosquelettes en 2024