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Lettre d'information n° 18 - 6 décembre 2002
Chercheurs... en apesanteur
Jean-Louis Thonnard, pouvez-vous nous expliquer en quoi consistent vos recherches?
Je suis responsable de l'unité de réadaptation et de médecine physique. Dans ce cadre, mon équipe et moi-même analysons les mouvements du membre supérieur et de la main ainsi que leur coordination avec les yeux, en apesanteur (microgravité) et en hypergravité (1.8 G). Grâce à ces recherches fondamentales, nous espérons pouvoir un jour bénéficier de débouchés vers la réadaptation, la robotique, ou la réalisation de prothèses, ...
D'ores et déjà, nous collaborons avec différents services des Cliniques Saint-Luc, car nous utilisons la même méthodologie pour évaluer la préhension et la dextérité des patients adultes et enfants.
Parce que les forces qui s'exercent sur les objets sont différentes selon l'un ou l'autre environnement et qu'il nous semble important de comprendre comment l'homme va gérer, apprendre ce changement d'environnement.
Comment pouvez-vous réaliser des expériences en apesanteur?
L'Agence spatiale européenne a sélectionné notre projet de recherche et Nous a permis de participer aux campagnes des vols paraboliques qu'elle organise régulièrement à bord d'un Airbus 300. Concrètement, différentes équipes de chercheurs montent à bord de cet avion complètement équipé pour ce genre de vols (sièges retirés au centre de l'appareil, tout l'équipement de recherche fixé,...). L'appareil s'envole et, une fois sa vitesse de croisière atteinte, il monte de 2500 m en plus ou moins 30 secondes. Nous sommes alors en hypergravité et pesons deux fois plus que sur terre. Au sommet de la parabole, pendant 20 seconde, nous sommes en apesanteur (zéro G): c'est la micro-gravité, on flotte. Ensuite, l'appareil redescend pendant 30 secondes et nous repassons en hypergravité. Ces vols sont dits paraboliques, parce que l'avion décrit une parabole dans le ciel.
Il faut savoir que lorsque l'on part pour un tel vol, l'avion ne se contente pas d'effectuer une seule parabole: il en fait 30. De plus, chaque session comprend 3 vols, soit 1.800 secondes (30 minutes) en apesanteur.
L'expérience que nous avons réalisée dans les campagnes précédentes nous a permis d'observer que l'homme apprend très vite (5 paraboles) à manipuler correctement un objet dans un nouvel environnement tel que la microgravité ou l'hypergravité. de plus, cet apprentissage est bien mémorisé comme le montre la figure que nous venons de publier dans la revue "Experimental Brain Research". Ainsi, un astronaute expérimenté (plusieurs vols à son actif, apprentissage de la vie en apesanteur) manipule les objets de façon optimale en microgravité et en hypergravité; il obtient immédiatement de bons résultats à notre test. Par contre un sujet naïf, découvrant l'apesanteur devra manipuler l'objet au cours de 5 paraboles successives avant d'obtenir les mêmes résultats. Ces vols nous conviennent donc tout à fait.
Nous n'avions pas besoin d'un vol de longue durée pour mener ces expériences. Il était même plus adéquat d'exposer nos sujets à des changements de la gravité pendant de courtes périodes tel que cela se passe dans un vol parabolique. Si, un jour nous avons une bonne question qui nécessite une exposition prolongée de l'homme à la microgravité nous serons bien sûr très heureux de pouvoir envoyer une expérience vers la station spatiale internationale. Cela pourrait être un de nos objectifs dans le futur.
On a marché (comme) sur Mars!
Patrick Willems et son équipe (Unité de biomécanique et physiologie de la locomotion) ont marché sur Mars; enfin "comme sur Mars", et ce afin d'analyser la locomotion sur la planète rouge. "Nous procédons à des expériences lors de vols paraboliques où nous cherchons à simuler la gravité présente sur la planète Mars, soit 0,4 g. Pour ce faire, l'avion décrit une parabole plus plate que dans le cadre des expériences du Pr Thonnard. Nous avons environ alors 40 secondes pour réaliser nos expériences". Patrick Willems a déjà vécu près de 300 paraboles.
Alors, comment marchera-t-on sur Mars? "Avant de parler de Mars, il faut se rappeler les images du 21 juillet 1969. En arrivant sur la Lune, les astronautes ne marchaient pas, mais ils courraient. Pourquoi? Au cours de la marche, les mouvements du centre de masse corporel peuvent être comparés à ceux d'un chariot dans les montagnes russes qui prend de la vitesse dans les descentes pour remonter la pente suivante. Lorsqu' un individu est en appui sur une seule jambe, le centre de masse corporel est à son point le plus élevé et sa vitesse est minimale. Ensuite, le sujet se "laisse tomber vers l'avant": son centre de masse prend de la vitesse en perdant de la hauteur. L'énergie cinétique ainsi gagnée va être utilisée pour "remonter" sur l'autre jambe. Sur Terre, ce mécanisme de transformation d'énergie cinétique en énergie potentielle (et inversement) permet de réduire jusqu'à 65% le travail musculaire nécessaire pour déplacer le centre de masse corporel. Sur la Lune, à cause d'une trop faible gravité (0.16 g), les astronautes ne pouvaient pas marcher car lorsqu'ils se "laissaient tomber vers l'avant", ils ne prenaient pas de vitesse. Ils devaient donc sauter d'un pied sur l'autre, c'est à dire courir..."
Au cours des vols paraboliques, l'équipe du Pr Willems a voulu étudier l'effet de la gravité sur le mécanisme de la marche. "Nous avons donc simulé un champ gravifique plus faible que celui de la Terre (0.4 g, comme sur Mars), mais aussi un champ gravifique plus important (1.5g). Sur Mars, si l'on doit marcher, ce sera plus lentement que sur la Terre, mais le travail musculaire sera réduit car les variations d'énergie cinétique et potentielle seront plus faibles. Par contre, en hypergravité, on "tombe" plus vite et donc, la marche est plus saccadée (on marche un peu comme dans les films de Charlie Chaplin). On peut marcher plus vite que sur la Terre mais le travail musculaire est plus important."
On n'a peut-être pas encore posé le pied sur Mars, mais au moins, certains savent déjà comment ils s'y prendraient...
Mais pourquoi chercher à étudier la locomotion sur Mars? Les vols habités seraient-ils plus proches qu'on ne le dit? "En fait, cela nous permet surtout de comprendre les mécanismes de la locomotion. Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'étude des capacités d'adaptation de la fonction locomotrice. en effet, dans certaines circonstances, les mécanismes de la locomotion peuvent être modifiés soit par des facteurs extrinsèques au sujet (port d'une charge, inclinaison du sol, nature du terrain... ), soit par des facteurs intrinsèques (croissance, vieillissement...). Nous travaillons en collaboration avec le Pr C. Detrembleur (Unité de réadaptation) qui étudie les perturbations des mécanismes de la marche induites par des pathologies locomotrices ou neurologiques. Confronter nos modèles avec les modèles pathologiques est extrêmement enrichissant pour les deux équipes."
CAVAGNA G.A., WILLEMS P.A. & HEGLUND N.C. (2000) The effect of gravity on the mechanics of the walking gait J. Physiol., London. 528: 657-668
CAVAGNA G.A., WILLEMS P.A. & HEGLUND N.C. (1998) Walking on Mars. Nature 393: 636