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Mindwalker, l’exosquelette contrôlé par la pensée

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Après trois ans de développement, Mindwalker, le projet d'exosquelette piloté par les ondes cérébrales, a atteint un stade fonctionnel avec des premiers essais impliquant des personnes souffrant de paralysie des membres inférieurs. Le professeur Guy Cheron de l'université libre de Bruxelles, l'un des chercheurs à l'origine du projet, a répondu aux questions de Futura-Sciences.

Avant de pouvoir tester l’exosquelette en conditions réelles, les candidats qui ont participé à l’expérience Mindwalker ont dû s’entraîner à l’aide d’un simulateur. Le but était de leur apprendre à former une représentation mentale des ondes cérébrales commandant la marche et qui puisse être reconnue par le système pilotant l’exosquelette. © Mindwalker

Il y a trois ans naissait le projet Mindwalker. Financé par l'Union européenne à hauteur de 2,7 millions d'euros, il rassemble un consortium de sept universités et entreprises qui ont travaillé à la mise au point d'un exosquelette qui peut être contrôlé à partir des ondes émises par le cerveau (EEG, électroencéphalographie) ou l'activité musculaire (EMG, électromyographie). Cet appareillage est destiné à redonner de la mobilité à des personnes ayant perdu l'usage de leurs jambes.

Le mois dernier, les premiers tests en conditions réelles ont été réalisés à la Fondation Santa Lucia de Rome avec cinq patients paralysés des membres inférieurs. Harnachés dans l'exosquelette, munis d'un casque EEG et d'une paire de lunettes spéciales, ils ont pu se tenir debout et faire quelques pas à la seule force de leur pensée. Une première qui suscite beaucoup d'espoir, même s'il reste encore beaucoup de travail avant d'arriver à un modèle finalisé. Mindwalker repose sur trois axes de développement.


Dans le cadre du projet Mindwalker, un exosquelette a été spécialement conçu pour supporter le poids d’une personne paralysée des membres inférieurs. Les chercheurs espèrent parvenir à finaliser un modèle commercialisable d’ici cinq ans. © Mindwalker

Entraînement virtuel nécessaire pour le patient

Le premier concerne le travail sur les ondes cérébrales contrôlant la marche avec l'objectif de créer une interface neuronale directe (ou BCI, brain computer interface) qu'une personne puisse utiliser au quotidien.

Comme l'a expliqué à Futura-Sciences le professeur Guy Cheron, il s'agit là de la partie la plus ambitieuse du projet. À la tête du laboratoire de neurophysiologie et de biomécanique de l'université libre de Bruxelles, il a notamment travaillé sur des systèmes d'enregistrement de l'activité cérébrale pour les astronautes de la Station spatiale internationale« Mon laboratoire a été, avec la société Space Application, à l'initiative de ce projet (...). Il s'agissait d'utiliser les ondes cérébrales produites par les populations neuronales lors de l'initiation et le contrôle de la marche chez l'Homme. Si ces activités existent bien dans le cerveau, l'enregistrement de ces ondes à la surface du cuir chevelu est compliqué, car ces signaux sont de faible voltage et que de nombreux signaux parasites rendent la tâche très complexe. »

Il a d'abord fallu localiser et enregistrer les ondes cérébrales correspondant à la marche pour pouvoir « créer un réseau de neurones artificiels (le DRNN, dynamic, recurrent neuronal network) capable de les interpréter et de générer après apprentissage les signaux de contrôle de la cinématique de la marche humaine ».

Casque EEG et lunettes à diodes pour l’exosquelette

Le deuxième axe de développement a consisté à concevoir un outil utilisant la réalité virtuelle afin de permettre aux usagers de s'entraîner à produire une « idéation mentale » de ces ondes cérébrales spécifiques, que le DRNN devra reconnaître pour activer l'exosquelette. Les candidats se sont donc exercés à contrôler un exosquelette virtuel sur un ordinateur avant de passer à la pratique. « Ces étapes ont été réalisées mais elles restent compliquées par l'existence de signaux parasites liés aux mouvements, à l'activité électrique des muscles du cou et aux signaux électriques des moteurs du robot », souligne le professeur Cheron.

Lors des tests en conditions réelles menés en Italie, les volontaires ont utilisé un casque EEG à contacts secs spécialement conçu et couplé à une paire de lunettes munies de diodes clignotantes. Placées sur chaque verre, les diodes fonctionnent à différentes fréquences en produisant une lumière qui est captée par le lobe occipital qui gère les informations visuelles. Si la personne concentre son regard sur la diode de gauche, le système déclenche l'exosquelette. Pour l'arrêter, il doit faire la même chose sur la diode de droite.

Encore cinq ans de développement pour Mindwalker

Mais les chercheurs veulent aller plus loin, pour trouver des solutions moins contraignantes et encore plus simples à utiliser. D'où la troisième piste de développement qui exploite l'activité musculaire. « Une approche identique a été aussi réalisée à partir des signaux électromyographiques (EMG) enregistrés sur les muscles des bras. De ce fait, juste en reproduisant des mouvements alternés des bras comme lors de la marche, notre DRNN est actuellement capable de fournir à l'exosquelette les signaux de commande adéquats. Ce, afin que les moteurs produisent un mouvement locomoteur le plus proche possible d'une marche normale. Cette étape a été finalisée et vient d'être initiée chez des patients paraplégiques. »

Ainsi s'achève la première phase du projet Mindwalker qui a permis plusieurs avancées déterminantes. Mais il ne s'agit que d'une première étape qui avait pour but d'évaluer les avantages et inconvénients des technologies adoptées. Le travail de développement va désormais se poursuivre, durant les cinq prochaines années, avec l'objectif d'aboutir à un système qui soit commercialisable.

Le professeur Cheron nous a confié qu'il travaillait sur un nouveau type de DRNN, « basé sur les propriétés oscillantes des mouvements des membres inférieurs durant la marche et qui devrait être capable dans un avenir proche d'interpréter les signaux produits par l'idéation mentale ». À quelle échéance une version commercialisable du système est-elle envisageable ? « La réponse est difficile car elle dépend des nouveaux moyens qui seront mis à la disposition des équipes de recherche partenaires », déclare le chercheur.

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