LA MAIN BIONIQUE

Les différents types de main bionique

La prothèse myoélectrique

Comme nous l’avons vu précédemment, nos doigts et nos mains sont commandés par des muscles se trouvant dans l’avant-bras. La prothèse bionique capte cette activité musculaire pour fonctionner. Nous voulons savoir plus précisément quelle activité est captée par la prothèse et dans quel but.

Hypothèse : les muscles de l’avant-bras ont des caractéristiques spécifiques pour le bon fonctionnement des prothèses.

Enregistrement EXAO* au laboratoire de SVT :

Protocole

Une série de mouvements identiques (mouvement du poignet de fléchissement total à extension totale) est effectuée alors que des électrodes sont placés sur les muscles sur le dessus et à l’intérieur de l’avant-bras.
L’activité musculaire est enregistrée par les capteurs EXAO.
La courbe verte correspond à la stimulation des électrodes situés sur les muscles au niveau de l’intérieur de l’avant-bras et la courbe rouge à la stimulation des électrodes situées au niveau du dessus de l’avant-bras.
Après un enregistrement d’une durée de 3 minutes, nous obtenons la courbe suivante.

Observation

Les muscles situés à l’intérieur de l’avant-bras permettent le fléchissement de la main (courbe verte), tandis que les muscles situés sur le dessus de l’avant-bras permettent son extension (courbe rouge)
Il existe donc des muscles extenseurs, permettant d’ouvrir la main, et des muscles fléchisseurs permettant de la refermer.

On remarque d’autre part qu’au cours de ce mouvement, les muscles fléchisseurs et extenseurs sont sollicités l’un après l’autre. A 7 secondes environ, on observe une activité électrique du muscle fléchisseur de 0.5 mV tandis que celle du muscle extenseur est proche de 0 mV. A l’inverse, à 15 secondes environ, on note une activité électrique du muscle extenseur de 0.5 mV tandis que celle du muscle extenseur est proche de 0 mV.
En fait, lorsque les muscles extenseurs sont en activité, les muscles fléchisseurs sont inactifs et inversement. On dit qu’ils sont antagonistes, c’est à dire qu’ils ne travaillent jamais en même temps et effectuent des mouvements contraires.

Synthèse

Les muscles permettant la flexion du coude comme du poignet sont antagonistes. On parle d’un muscle agoniste lorsque qu’il est en action.

Le fonctionnement de la prothèse myoélectrique (myo = muscles) repose essentiellement sur la fonctionnalité de ces muscles antagonistes.

Outre une pince, la main bionique est constituée de capteurs qui sont placés dans l'emboîture venant se fixer sur le moignon. Ces composants sont en contacts avec les muscles extenseurs et fléchisseurs qui se trouvent dans l’avant-bras (ou dans le biceps pour des amputations plus importantes).

Ainsi, quand la personne équipée décide de refermer la main par exemple, elle provoque volontairement la contraction des muscles fléchisseurs. Le capteur va récupérer le signal électrique qui arrive au niveau de ce muscle. Le signal est ensuite amplifié puis transmis au moteur qui provoque la fermeture de la main.

Toutefois, il faut un certain potentiel musculaire pour donner un mouvement à la prothèse, puisque que les capteurs sont sensibles uniquement à partir d’un certain seuil de stimulation électrique. C’est pourquoi les sites de placement des électrodes* sont déterminés avant la fabrication : une contraction de 2 secondes minimum doit être réalisée. On dit que les sites de placement des capteurs sont les points moteurs.

Grâce à la sollicitation de ces deux ensembles de muscles (fléchisseurs et extenseurs), le porteur de prothèses peut réaliser de nombreux mouvements. Totalement personnalisables, les mains bioniques de nouvelle génération (ex : i-limb ultra par Touch Bionics) peuvent être programmées par l’utilisateur à l’aide d’une application pour smartphone éditée par les fabricants de prothèse eux-mêmes.

En fait c’est le nombre de sollicitations et leur durée qui va déterminer la nature du mouvement.

Exemple : la position à droite est obtenue après deux sollicitations courtes des extenseurs.

Dans certains types de prothèse (les plus évoluées) la rotation du pouce est totalement motorisée. Dans d’autres, l’opposition du pouce est contrôlée manuellement. Dans d’autres enfin, c’est uniquement la pince qui est possible et le pouce est fixe.

La prothèse fonctionnelle

La prothèse de main bionique dite fonctionnelle fonctionne de manière identique à la main myoélectrique.

Mais l’utilisateur peut choisir d’y fixer des crochets, des outils… elle est souvent destinée à des utilisateurs souhaitant mener une activité professionnelle précise. Cependant, avec l’arrivée de prothèses myoélectriques de plus en plus perfectionnées, les prothèses fonctionnelles se font de plus en plus rares. Elles furent très utilisées à la fin du 20ème siècle notamment.

Figure 1 Schéma simplifié de la main (Source : LamainCH)

Figure 1 Main bionique de nouvelle génération (Source : touch bionics)

Figure 2 Différents types de prothèses fonctionnelles (Source : Ravel Orthomédic)

La prothèse esthétique

La prothèse esthétique est souvent destinée aux personnes ayant du mal à affronter le handicap. Moulée à l’identique de la main valide, elle permet de masquer totalement l’absence de main. Véritable objet d’art où les moindres détails anatomiques sont représentés, elle permet donc à ses utilisateurs de retrouver une vie sociale normale rapidement.

Mais elle n’a aucune fonction mécanique : on dit qu’elle est passive.

Figure 3 Prothèses esthétique (Source : Algo Orthopédie et Médical Expo)

L’avenir de la main bionique : la prothèse neuro-électrique (en lien avec le cerveau)

La prothèse neuro-électrique permettrait de retrouver le sens du toucher grâce à l’implantation d’électrodes directement à l’intérieur des nerfs du bras. Son fonctionnement serait donc équivalent à celui d’une main bionique de nouvelle génération, le sens du toucher cependant rétabli. A l’heure actuelle, elle ne permet pas encore de ressentir le chaud, le froid mais uniquement la forme de l’objet sans forcément le regarder.

Figure 4 Fonctionnement de la prothèse neuroélectrique (Source : Sciences et Avenir)

Peu de scientifiques travaillent aujourd’hui sur ce prototype de main bionique qui rétablirait le sens du toucher. Ainsi il faudra attendre pour qu'elle soit mise sur le marché. Découvrez un extrait du documentaire sur l'homme bionique d'Arte détaillant le fonctionnement de cette main :

Toutes ces prothèses étaient jusqu’ici commandées par les muscles. L’étape suivante, ultime objectif et certainement le plus fou : être capable de commander les prothèses directement par la pensée. La réalité est aujourd’hui en train de rejoindre la science-fiction. Découvrez un extrait du documentaire d'Arte montrant le bras contrôlé par la pensée d'une patiente paralysée :

Mais ce type de prothèses demande une très lourde intervention chirurgicale. C’est pourquoi aujourd’hui les risques pour la santé l’emportent sur les avancées dont bénéficient les patients. Cette tendance va sans doute s’inverser dans les prochaines années. Les risques vont diminuer et les possibilités, augmenter.

Ainsi, l’avenir des mains bioniques pourrait bel et bien permettre de retrouver une main au fonctionnement quasi-normal. Mais encore très chères et au stade d’expérimentation, elles ne sont pour l’instant pas sur le marché.

Etude des matériaux

La résistance et les propriétés mécaniques des matériaux doivent être prises en compte lors de la conception d’une prothèse bionique telle qu’une main par exemple. Le choix des créateurs de prothèses se porte la plupart du temps sur les biomatériaux. Naturels ou synthétiques, ils sont conçus pour interagir avec les systèmes biologiques humains. Ils participent par exemple à la constitution des systèmes d’assistance fonctionnelle telles que la main bionique.

Nous allons pouvoir étudier plus en détail les constituants des mains bioniques. Ensuite, nous pourrons donc dire si la prothèse est aussi performante qu’une main humaine, tant sur le plan mécanique qu’ergonomique.

La gomme de silicone : comme une seconde peau ?

La gomme de silicone constitue l’enveloppe extérieure de la prothèse et l’emboiture dans lequel le moignon s’insère. Par l’étude des caractéristiques chimiques, thermiques et mécaniques du silicone, nous allons voir si elle est efficiente en matière d’appareillage.

La fibre de carbone, aussi solide qu’un os ?

La fibre de carbone constitue l’ossature de la prothèse.

L'acier inoxydable, mieux qu'une articulation ?

On retrouve l'acier inoxydable dans de nombreux constituants de la main bionique notamment dans les articulations des phalanges, éléments indispensables à la mobilité de la main. Résistant, insensible à l’oxydation, à la corrosion et aux frottements, il permet donc une bonne résistance de la prothèse dans le temps.

Synthèse

Ainsi, l’étude des matériaux constitutifs des prothèses peut nous permettre de conclure sur leur efficience ou non.

- La fibre de carbone confère à la main bionique toute sa légèreté et sa résistance, à l'instar des os dans une main classique.
- La gomme de silicone qui recouvre souvent l’ossature et que l’on retrouve notamment dans l'emboîture est résistante et non toxique. C’est une caractéristique particulièrement importante puisque l'emboîture est toute la journée en contact avec le moignon.

- L'acier inoxydable, permettant la constitution des articulations est résistant aux frottements, à l'instar du cartilage entre les os dans une main humaine.

Le développement de matériaux toujours plus efficaces et résistants permet aux mains bioniques de devenir quasiment des mains humaines sur le plan pûrement technique.

BONUS Pourquoi les utilisateurs de main bionique ne cassent pas tous les objets fragiles qu’ils saisissent ? (Un œuf par exemple)

Les moteurs de chacun des doigts de la main bionique sont dotés de capteurs qui détectent lorsque la main bionique rentre en contact avec l’objet que l’utilisateur souhaite saisir. Ainsi le mécanisme de fléchissement des doigts est interrompu et l’objet, maintenu, sans être cassé par une trop forte pression. On dit que l’intensité de la préhension est variable.

Les limites de la main bionique

Tableau entièrement créé

Tableau entièrement créé par le groupe.

Schéma entièrement créé par le groupe.

Organigramme entièrement créé par le groupe.