Vous consultezPerspectives actuelles pour l’analyse, la simulation et la synthèse de mouvements sportifs

AuteurFloren Colloud du même auteur

Tout au long du 20e siècle, les inventions technologiques ont largement contribué à modifier nos modes de vie. Actuellement, le développement rapide des technologies numériques a changé notre rapport au monde qui nous entoure en un laps de temps extrêmement court. Ces (r)évolutions ont bien entendu de fortes répercussions sur notre façon de conduire les activités de recherche dans le domaine de la motricité humaine.

2 La démarche scientifique que nous suivons dans ce domaine spécifique ainsi que les outils que nous utilisons font suite aux travaux novateurs menés par Étienne-Jules Marey et Georges Demenÿ à l’institut de physiologie situé au parc des princes, Paris. Il y a 130 ans, ces précurseurs ont posé les bases de l’analyse cinématographique et dynamographique du mouvement et conçu les instruments de mesure spécifiques (chronophotographe, fusil photographique, dynamographe, etc.) dévolus à l’analyse du mouvement. Ces instruments sont en perpétuelle évolution afin d’améliorer leur précision de mesure, de diminuer encombrement et coût, de faciliter leur utilisation, etc. Pour autant, les principes de base restent identiques à ceux préconisés par Marey et ses collaborateurs.

3 Au cours de ces vingt dernières années, les importantes évolutions technologiques ont eu pour conséquence une utilisation de plus en plus fréquente de ces instrumentations tant dans le domaine de l’analyse du mouvement humain (en vue d’applications cliniques, sportives, ergonomiques, etc.) que dans les domaines de l’animation ou de la réalité virtuelle. Il n’en demeure pas moins que l’expérimentateur se doit de maîtriser l’ensemble de la chaîne de mesure utilisée (les inévitables incertitudes de mesures) afin de fournir la meilleure estimation (leur propagation dans les quantités calculées) du mouvement étudié. Cette démarche passe obligatoirement par une solide formation en métrologie et la mise à niveau des connaissances du matériel utilisé en fonction de ces évolutions tout au long de la vie professionnelle des expérimentateurs.

4 Un autre héritage des travaux de Marey et collaborateurs est la représentation du corps humain en mouvement sous la forme d’un système multicorps. Actuellement, les bases théoriques ainsi que les modes calculatoires pour ce type de modélisation sont principalement développés en robotique. Il est bien évident que des particularités propres au corps humain (contraintes anatomiques, géométrie des masses, etc.) doivent être prises en compte. Quoi qu’il en soit, les fondements théoriques de la démarche restent identiques. Ils permettent d’analyser les mouvements du système multicorps au cours du temps (modèle descriptif), de simuler ces mouvements (modèle prédictif), sans oublier les lois de commande qui coordonnent ce système multicorps.

5 Il advient alors que l’analyse tridimensionnelle du mouvement humain ou animal requière des compétences issues de multiples disciplines. Le spectre de ces compétences est large et, de façon non exhaustive, comprend les sciences pour l’ingénieur et le génie médical. Cette approche multi-/ trans-disciplinaire est extrêmement difficile à mettre en œuvre et à animer. Elle est cependant fondamentale pour apporter des répondes pertinentes aux questionnements de nos contemporains.

6 Le symposium « Sport, mesure & simulation », organisé à Poitiers en juin 2011, avait pour ambition de contribuer à cet objectif. Il était organisé sous l’égide conjointe de l’Association des chercheurs en activités physiques et sportives (Acaps) et de la Société de biomécanique (Sb), deux sociétés savantes reconnues internationalement dans les thèmes scientifiques structurant ce symposium.

7 Ce symposium comprenait également deux ateliers scientifiques portant respectivement sur l’acquisition, le traitement et l’interprétation de signaux électromyographiques et dynamométriques. Ces deux ateliers ont été animés par les sociétés Delsys et Sensix. Ils répondaient à un besoin de formation ou d’approfondissement des connaissances dans ces domaines exprimé de longue date par des collègues et des doctorants. Une des originalités de ces ateliers est qu’ils reposaient sur l’acquisition de signaux réalisée en présence de l’audience.

8 De plus, ce symposium a été choisi par l’Académie nationale olympique française (Anof) pour délivrer le prix Jean Vivès 2011. Ce prix récompense les travaux d’un chercheur francophone dans le domaine des sciences pour l’ingénieur appliqué au sport. Le jury, composé de personnalités internationales, a remis ce prix à Antoine Nordez de l’université de Nantes.

9 L’organisation du symposium « Sport, mesure & simulation » n’a été possible que part le fort soutient de partenaires académiques (Faculté des sciences du sport, université de Poitiers), institutionnels (Acaps, Anof, Cper 2007 –2013 « savoir, images, société » (État/Région Poitou-Charentes/Union européenne), Communauté d’agglomération grand Poitiers, Conseil général de la Vienne, Région Poitou-Charentes, Science & motricité, SB) et industriels (Biometrics France, DelSys, EDP sciences, Kistler France, Sensix Force-Torque Sensors) qui ont tenu à s’associer à cette manifestation scientifique. Je les en remercie vivement.

10 Ce numéro spécial comprend onze contributions sélectionnées par le Comité scientifique constitué à l’occasion de ce symposium. Ce Comité a également expertisé ces contributions ré-écrites sous la forme d’articles scientifiques. Je voudrais remercier l’ensemble des membres de ce Comité qui s’est acquitté avec sérieux et brio de cette tâche très délicate. Ils ont su, par leur remarques et suggestions pertinentes, améliorer la qualité scientifique de ce numéro spécial.

11 Ce numéro spécial est structuré en trois sections. La première section porte un regard novateur sur notre compréhension de la motricité humaine par l’utilisation de techniques numériques développées dans le champ de la robotique, la fusion de données expérimentales propre à la physiologie humaine dans ces modèles numériques ou les perspectives que dégage un nouveau champ expérimental.

12 – Katja Mombaur et Thorsten Stein (université d’Heidelberg et université technologique de Karlsruhe, Allemagne, LAAS-CNRS, France) s’interrogent sur la pertinence des méthodes numériques de contrôle optimal pour générer des mouvements humains. Après avoir présenté les bases mathématiques de ces méthodes, les auteurs illustrent leur propos par des exemples provenant de mouvements sportifs de disciplines aussi variées que la gymnastique, la course et le plongeon. Ces méthodes prédictives se différencient de la simulation par le calcul simultané de la cinématique et de la dynamique du système multicorps satisfaisant un critère d’optimisation. Ainsi, le mouvement prédit est en adéquation avec les forces qui génèrent ce mouvement. Il est alors possible d’explorer les mécanismes sous-jacents à la coordination de ces mouvements sur la base d’équations du mouvement respectées. Leurs résultats suggèrent que les méthodes de contrôle optimal pourraient apporter des perspectives dans le domaine de l’apprentissage de tâches complexes.

13 – Fabien Leboeuf, Pascal Seguin et Patrick Lacouture (centre hospitalier universitaire de Nantes et université de Poitiers, France) questionnent la coordination de la phase aérienne d’un salto arrière par synthèse optimale sous contrainte d’un critère d’optimisation sthénique. Les couples optimaux ainsi obtenus sont comparés à ceux calculés plus classiquement par dynamique inverse. Il ressort de cette étude la complémentarité entre ces deux approches : le mouvement prédit est proche de celui réalisé. Les couples optimaux ne sont pas entachés des incertitudes liées au calcul itératif du modèle descriptif. Des hypothèses peuvent alors être formulées sur le contrôle de ce mouvement.

14 – David Amarantini, Guillaume Rao, Luc Martin, Violaine Cahouët et Eric Berton (université de Toulouse, université de la méditerranée et université de Grenoble 1, France) s’intéressent aux tensions musculaires mises en jeu au cours du mouvement. Ce problème sous-déterminé, le nombre d’actionneur est supérieur au nombre d’équation, est classiquement abordé par des approches numériques d’optimisation statique. Ils proposent une méthode « EMG-assistée » reposant sur une étape de calibration isométrique et une procédure d’optimisation qui intègre des données électromyographiques en entrée. Ce modèle fournit des résultats (couples actionneurs agoniste et antagoniste, tensions musculaires et indices de co-contraction) physiologiquement réalistes lors de mouvements isométriques ou dynamiques en présence ou non de fatigue.

15 – Antoine Nordez, Killian Bouillard et François Hug (université de Nantes, France) proposent une méthode expérimentale originale pour quantifier l’état de contraction du muscle. Leur travail s’appuie sur une nouvelle méthode d’élastographie, dénommée « Supersonic Shear Imaging », pour estimer le module d’élasticité de cisaillement du muscle, paramètre corrélé au niveau d’activité électrique de ce muscle. Un des avantages que présente cette méthode est la mesure de muscles profonds, inaccessibles par électromyographie de surface. Leurs résultats, issus de plusieurs expérimentations, tendent vers une estimation de la force musculaire in vivo.

16 La seconde section est composée de contributions portant sur la simulation de mouvements sportifs.

17 – Mike Hiley (université de Loughborough, Grande-Bretagne) met en évidence l’apport de critères issus du contrôle moteur tels que la coordination et la précision de synchronisation dans la simulation de mouvements gymniques. Ce point de vue est supporté par les résultats issus de trois études portant sur la technique des balancés en gymnastique. L’auteur montre que le poids de ces critère est au moins aussi important que les critères sthénique ou énergétique classiquement implémentés pour appréhender de façon réaliste la performance dans ces situations spécifiques.

18 – Patrick Cangley, Louis Passfield, Helen Carter et Martin Bailey (université de Brighton et université de Kent, Grande-Bretagne) développent un modèle dynamique 3D de l’activité cyclisme qui comprend la dynamique de la bicyclette, un modèle de pneumatique, la biomécanique du cycliste et des facteurs environnementaux. Les auteurs proposent un développement détaillé de leur modèle au cours duquel le lecteur est guidé de façon très didactique. Les simulations sont sont validées par deux approches complémentaires. La stabilité des calculs est évaluée au regard des résultats d’une étude « benchmark » précédemment publiée, d’une part, les simulations sont comparées à des résultats obtenus par des cyclistes élites en condition écologique de pratique, d’autre part.

19 – John Rasmussen, Joakim Holmberg, Kasper Sørensen, Maxine Kwan, Michael Skipper Andersen et Mark de Zee (université d’Aalborg, Danemark, université de Linköping et université du centre de la Suède, Suède) génèrent des simulations à partir d’un modèle intégrant la géométrie et la dynamique des muscles actionneurs du mouvement. Deux activités sportives fort différentes, le ski de fond et le badminton, montrent la pertinence de cette approche en vue d’optimiser les performances sportives. Elle permet d’accéder à des mécanismes complexes mettant en jeu l’ensemble de la structure musculo-squelettique. Sportifs et entraîneurs reçoivent ainsi des éléments pour répondre à la question du « savoir-pourquoi » plutôt qu’au « savoirfaire ». Les auteurs suggèrent un apprentissage plus rapide de mouvements complexes.

20 – Alban Leroyer, Sophie Barré et Jean-Michel Kobus (école centrale de Nantes, France) montrent intérêt et difficulté de mener simultanément des approches expérimentale et numérique afin d’optimiser la performance sportive sur la base de mouvements réalistes. Ils illustrent avec justesse leurs propos par une application extrêmement complexe : la propulsion des bateaux d’aviron. Leurs premières comparaisons simulation/résultat expérimental mettent en défaut les modèles quasi statique au vu de la forte instationnarité de l’écoulement autour des palettes et la proximité de la surface libre violemment perturbée en conséquence. Ils orientent leur approche numérique vers l’utilisation de méthodes plus avancées, tel que le raffinement automatique de maillages pour, à terme, les comparer à des données obtenues en condition écologique de pratique.

21 La dernière section met l’accent sur l’analyse du mouvement par des modèles descriptifs.

22 – William Samson, Bruno Dohin, Angèle Van Hamme, Raphaël Dumas et Laurence Chèze (Centre technique du cuir, université de Saint-Étienne et université de Lyon, France) s’intéressent à la marche chez l’enfant de moins de six ans avec et sans chaussage. Ils montrent que la dynamique interne de l’ensemble du membre inférieur est affecté par le port de chaussure et par la vitesse de déplacement. Les auteurs suggèrent que l’âge, mais aussi la vitesse de déplacement, doivent être considérés pour l’étude de la marche chaussée chez l’enfant, et donc pour la conception de chaussure.

23 – Peter Sinclair, Cherie Walker et Thomas Rickards (université de Sydney, Australie) rapportent une expérimentation dont le but est d’identifier les variables cinématiques déterminantes dans la hauteur du plongeon. Chez de jeunes athlètes, ils mettent en évidence l’importance de la phase préparatoire sur la coordination observée lors de la phase de contact avec la planche et les conditions d’éjection.

24 – Marc Therrien, Floren Colloud et Mickaël Begon (université de Montréal, Canada et université de Poitiers, France) marient avantageusement approche descriptive (cinématique tridimensionnelle et force de contact générées par l’athlète sur ergomètre) et approche prédictive (modèle d’avancement du système {bateau-athlètepagaie}) afin d’estimer la trajectoire probable de la pagaie en condition écologique de pratique. Ils montrent une forte reproductibilité de la gestuelle pour un même athlète quelque soit la cadence observée, mais des différences significatives entre athlètes malgré le haut niveau de performance des sujets. L’augmentation de la cadence implique une diminution du déplacement antéropostérieur de la pale dans la phase de propulsion alors que les phases d’accroche et de dégagé restent inchangées.

25 Je vous souhaite une bonne lecture de ce numéro spécial. Je suis sûr que vous retrouverez à travers ces articles la grande qualité scientifique et l’esprit convivial qui ont animé ce symposium.

Floren Colloud « Perspectives actuelles pour l'analyse, la simulation et la synthèse de mouvements sportifs », Movement & Sport Sciences 1/2012 (n° 75), p. 1-3.
URL : www.cairn.info/revue-science-et-motricite-2012-1-page-1.htm.
DOI : 10.3917/sm.075.0001.