Et si un robot pouvait nous montrer comment le cerveau nous maintient en équilibre ? Les scientifiques de l’UBC en ont construit un – et leur découverte pourrait contribuer à façonner de nouvelles façons de réduire le risque de chute pour des millions de personnes.
Un imposant robot d'échange de corps construit par des chercheurs de l'Université de la Colombie-Britannique donne aux scientifiques un aperçu sans précédent de la façon dont le cerveau nous maintient debout – une capacité que nous remarquons à peine jusqu'à ce qu'il soit affecté par l'âge ou la maladie.
Leurs conclusions, publiées aujourd'hui dans Robotique scientifique avec des collaborateurs de la clinique médicale Erasmus, révèlent que pour rester équilibré, le cerveau traite les retards dans le retour sensoriel presque de la même manière qu'il gère les changements dans la mécanique corporelle. En d’autres termes, lorsqu’il s’agit d’équilibre, notre sens de l’espace et du temps semble fonctionner à partir du même manuel.
Ce qui est passionnant, c'est que cela ouvre la porte à de nouvelles applications pratiques. Si nous comprenons comment le cerveau fait face aux retards et aux changements mécaniques, nous pouvons concevoir des dispositifs d'assistance ou des stratégies de réadaptation pour les personnes âgées et même construire des robots qui bougent davantage comme nous. »
Dr Jean-Sébastien Blouin, auteur principal et professeur à l'École de kinésiologie de l'UBC
La physique d'un échange de corps
Se tenir debout est l’une des tâches les plus complexes du cerveau. Chaque seconde, il coordonne les signaux des yeux, des oreilles internes et des pieds pour évaluer, prédire et corriger les mouvements contre la gravité.
Même chez les adultes en bonne santé, les signaux d’équilibre n’arrivent pas instantanément. Il existe un décalage naturel lorsque l’information circule vers le cerveau et revient vers les muscles. Le vieillissement ou des affections telles que la neuropathie diabétique et la sclérose en plaques peuvent aggraver ces retards, rendant ainsi les chutes plus probables.
« Imaginez diriger une voiture lorsque le volant répond avec une demi-seconde de retard », a déclaré le Dr Blouin.
Étudier la manière dont le cerveau gère ces retards s'avère presque impossible : on ne peut pas facilement ralentir les signaux nerveux ou modifier la mécanique corporelle d'une personne lorsqu'elle est debout.
Mais la plate-forme robotique de l'UBC le peut, en utilisant une astuce physique intelligente, pour changer la façon dont votre corps se sent.
Les participants se tiennent debout sur des plaques de force fixées à un panneau entraîné par des moteurs de haute précision. Le système reproduit les principales forces qui régissent la position verticale : la gravité qui tire vers le bas, l'inertie qui résiste au mouvement et la viscosité, l'effet amortisseur des muscles et des articulations qui empêchent une inclinaison de se transformer en chute, par exemple.
En temps réel, le robot ajuste ces forces. L’inertie croissante rend le corps plus lourd ; une viscosité plus élevée agit comme un frein, tandis qu'une viscosité négative fait le contraire, comme si quelqu'un vous poussait pour que vous tombiez plus vite dans la direction dans laquelle vous vous déplacez.
Le robot peut également ajouter un court délai (environ 200 millisecondes, soit environ un clin d'œil) en maintenant brièvement votre corps immobile après avoir essayé de bouger. Cette pause donne l’impression que votre réponse est tardive, tout comme lorsque les signaux nerveux ralentissent, de sorte que vos corrections d’équilibre surviennent après que vous les attendiez.
« Le robot nous permet de réécrire les règles que votre corps suit normalement », a déclaré le Dr Blouin. « En un instant, vous vous déplacez selon un ensemble de lois physiques complètement différentes, presque comme si vous pénétriez dans un corps différent. »
Trois tests, une grande trouvaille
L'équipe a mené trois expériences.
Tout d'abord, ils ont introduit un retard et ont observé 20 participants osciller de façon spectaculaire, dépassant souvent les limites virtuelles du système ou le point où ils seraient tombés dans la vie réelle.
Ensuite, ils ont testé si la modification des propriétés corporelles pouvait imiter le même effet. Réduire l'inertie ou appliquer une viscosité négative rendait les participants tout aussi instables, et beaucoup l'ont dit feutre similaire à l’équilibre avec la preuve retardée que le cerveau interprète l’espace et le temps de manière qui se chevauchent.
Finalement, ils ont inversé le problème : l’ajustement de la mécanique corporelle pourrait-il aider à compenser les retards ? Ils ont fait venir dix nouveaux participants qui n'avaient jamais fait l'expérience de la machine et les ont soumis à un retard. Lorsque le robot augmentait l’inertie et la viscosité, les participants reprenaient instinctivement le contrôle. Leur influence a chuté jusqu’à 80 pour cent et la plupart n’ont pas chuté.
« Nous avons été étonnés que l'ajout d'inertie et de viscosité puisse en partie annuler l'instabilité provoquée par une rétroaction tardive », a déclaré l'auteur principal Paul Belzner, ancien étudiant à la maîtrise en kinésiologie de l'UBC.
Ce que cela signifie pour prévenir les chutes
Les chutes constituent l'un des risques de santé les plus graves pour les personnes âgées, privant souvent les personnes de leur indépendance et coûtant au système de santé canadien plus de 5 milliards de dollars chaque année.
Lorsque les signaux nerveux ralentissent, il n’existe pas de moyen simple de les accélérer. « C'est ce qui rend nos découvertes si intéressantes », a déclaré le Dr Blouin. « Cela suggère que nous pouvons aider d'une autre manière, en donnant au corps un petit coup de pouce mécanique qui facilite l'équilibre du cerveau. »
Les futurs outils pourraient inclure des appareils portables qui ajoutent une légère résistance lorsque quelqu'un commence à se balancer ou des entraîneurs robotiques qui apprennent aux patients à s'adapter à des commentaires plus lents. Les mêmes informations pourraient même aider les ingénieurs à concevoir des robots humanoïdes plus stables.
Le robot de l'UBC emménagera bientôt dans le nouveau bâtiment de santé Gateway de l'UBC, où des chercheurs du Centre de recherche sur l'équilibre et les chutes de l'UBC, de l'École de kinésiologie, de l'École de génie biomédical et du Centre for Aging SMART l'utiliseront pour faire progresser les technologies de prévention des chutes et soutenir un vieillissement en meilleure santé.
Le robot a été conçu et validé à l'École de kinésiologie de l'UBC, à la faculté d'éducation, grâce au financement du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada et du Fonds d'accélération de l'équipement et de la recherche de l'École de kinésiologie de l'UBC.
