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Un exosquelette imprimé en 3D pour aider les victimes d’accidents vasculaires cérébraux

Publié le 11 janvier 2021 par Mélanie R.
exosquelette

D’après les chiffres de l’Institut national de la santé et de la recherche médicale, une personne subit un accident vasculaire cérébral (AVC) toutes les 4 minutes en France. Lors d’un AVC, plusieurs fonctions du cerveau connaissent des défaillances soudaines dues à une perturbation du flux sanguin vers le cerveau. Et malheureusement, ces défaillances, comme la paralysie ou les troubles du mouvement et de la parole, subsistent une fois l’AVC terminé. Les personnes touchées sont donc soutenues par des physiothérapeutes durant leur rééducation pour réapprendre les mouvements. Par exemple, dans le cas d’un trouble de la main, le patient s’exerce à la préhension, qui est la faculté de saisir des objets avec la main. Pour soutenir ce type de formation, les chercheurs de l’ETH de Zurich ont conçu un exosquelette. Afin d’y parvenir, igus, une entreprise basée à Cologne développant des composants en plastique haute performance depuis des décennies, a produit les articulations des doigts imprimées en 3D.

Comment fonctionne l’exosquelette ?

L’exosquelette se compose d’un module de main, d’un capteur sous forme de bracelet et d’un sac à dos. Le module est attaché à la main du patient par des courroies en cuir, tandis que le patient porte le bracelet et le sac à dos. Lorsque le patient commence à bouger, le bracelet transmet les signaux électromyographiques (EMG) à un mini-ordinateur qui se trouve dans le sac à dos avec les moteurs, les piles et l’électronique de commande. Sur la base des données reçues, l’ordinateur reconnaît que le patient veut effectuer un mouvement de préhension et active les moteurs. Les moteurs étirent et font fléchir les ressorts à lames, qui sont les doigts de l’exosquelette. “L’exosquelette applique une force de six newtons par doigt”, explique Jan Dittli, chercheur au département des sciences et technologies de la santé de l’ETHZ. Cela devrait permettre à l’exosquelette de couvrir 80% des mouvements quotidiens.

Avec l’exosquelette, le patient devrait pouvoir soulever jusqu’à 500 grammes (crédits photo : Stefan Schneller – ETH Zurich)

L’impression 3D FDM n’était pas adaptée à tous les composants

Pour que l’exosquelette soit adapté à un usage quotidien, les chercheurs ont essayé de réduire au maximum le poids de la pièce en recourant à la fabrication additive. L’impression 3D FDM a été utilisée dans la phase de prototypage ; elle était particulièrement adaptée au prototypage rapide en raison de son coût relativement faible, de sa facilité d’utilisation et de sa rapidité. Le dos de la main et les articulations des doigts ont d’abord été imprimés en ABS. Si la technologie FDM et l’ABS se sont révélés adaptés au dos de la main, ils étaient tous deux inadéquates pour les articulations des doigts en raison de leur fonctionnalité même : ils doivent pouvoir se plier et se déplier. Les articulations des doigts maintiennent ensemble les trois minces ressorts à lames en acier inoxydable empilés, et elles sont également dotées d’un mécanisme de verrouillage pour les lanières en cuir. Par conséquent, les articulations des doigts imprimées en 3D en ABS produisaient trop de friction.

Jan Dittli ajoute : « La friction entre les articulations et les ressorts à lames aurait été trop élevée avec ce matériau. Par conséquent, nous aurions perdu trop d’énergie lors du déplacement des doigts« . De plus, l’imprimante FDM ne pouvait pas imprimer les articulations des doigts avec la résolution requise. C’est pourquoi les chercheurs de l’ETH Zurich se sont tournés vers igus.

Exoskelett 3D-gedruckte Fingergelenke

A gauche, on peut voir les différents composants d’un doigt, les ressorts à lames et les articulations des doigts imprimées à partir du matériau Iglidur I6 ; à droite, le doigt entièrement assemblé (crédits photo : Stefan Schneller – ETH Zurich)

Des articulations imprimées en 3D avec des matériaux haute performance

Grâce au service d’impression 3D d’igus, les chercheurs ont pu utiliser la technologie de frittage sélectif laser (SLS) et le plastique haute performance iglidur I6. Grâce à l’impression SLS, il a été possible de produire la structure fine des articulations des doigts sans support, ce qui a supprimé la nécessité d’un post-traitement. Cela a également permis de personnaliser les exosquelettes à faible coût, comme le souligne M. Dittli : « Nous avons développé un algorithme permettant d’adapter le modèle numérique de l’exosquelette à la taille de la main du patient en quelques clics. » Ce modèle pouvait ensuite être envoyé à igus et généralement imprimé pendant la nuit, ce qui permettait d’utiliser les articulations des doigts imprimées en 3D après quelques jours seulement.

Grâce à l’iglidur I6, les articulations des doigts imprimées en 3D ont également affiché une ténacité et une résistance à l’abrasion requises ; ce matériau est en réalité optimisé sur le plan tribologique et a été spécialement développé pour des applications mobiles. La poudre pour la technologie SLS intègre des lubrifiants solides, ce qui facilite la manipulation puisqu’aucun composant n’a besoin d’être lubrifié. Selon igus, la durée de vie du matériau ne devrait pas être comparable à celle des autres plastiques.

L’exosquelette et ses 3 composants, le module de la main, le bracelet avec capteur et le sac à dos (crédits photo : Stefan Schneller – ETH Zurich)

L’exosquelette pourrait être imprimé en 3D rapidement, à moindre coût et facilement. Le module de main, par exemple, ne pèserait que 148 grammes et le sac à dos 720 grammes, ce qui constitue un avantage décisif par rapport aux solutions actuelles. M. Dittli ajoute : « De nombreux exosquelettes utilisés dans la rééducation ne sont actuellement pas portables. Notre solution, en revanche, est suffisamment légère et compacte pour faire ses preuves dans la vie quotidienne également, et peut donc élargir le champ de la thérapie. » Un des objectifs à l’avenir est de retirer le capteur du bracelet et de mesurer à la place les ondes cérébrales pour faire fonctionner le système de contrôle par l’intermédiaire de l’esprit. Toutefois, Jan précise que « cela reste une idée à creuser. »

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