Tout individu vivant peut être représenté comme un système très complexe, qui recherche activement dans le milieu qui l'entoure les conditions d'une existence optimale à moindre coût énergétique.

La biologie

Introduction

Pour faire un mouvement il y a différents contrôles :

  • planification
  • programmation
  • exécution

Définition

Le terme biologie désigne la science qui étudie la vie. Il est utilisé, pour la première fois, par l'allemand Treviranus, pour lui, la biologie envisagera « les différents phénomènes et formes de la vie, les conditions et les lois qui régissent son existence et les causes qui déterminent son activité ».

Les êtres vivants sont extrêmement abondants, à plus de 350 000 espèces végétales s'ajoutent plus d'un million d’espèces animales.

Les champs de la biologie, science de la vie, est donc particulièrement vaste. Ce champ englobe toutes les sciences consacrées a l'être vivant y compris l'homme.

La biologie concerne :

  • la description des formes externes et internes (morphologie, anatomie)
  • leur développement (embryologique)
  • l'analyse des fonctions (physiologie) et des comportements (psychologie)
  • l'établissement des classifications évolutives (botanique, zoologie, anthropologie)
  • l'examen des sociétés, leur rapport avec les milieux, leurs rapports entre elles (écologie, éthologie, sociologie)

 

Comment le corps est-il fonctionnel ? Les phénomènes biologiques qui permettent notre fonctionnement

La mécanique

Partie de la physique consacrée à l'étude des forces et de leurs actions.

  • Mécanique des solides : mécanique des corps solides continus, déformables, massifs, soumis à des forces de gravité et de contact et constitués de matériaux élastiques, visqueux ou plastiques... (déformations, endommagement, rupture)
  • Mécanique des fluides

On désigne sous le nom général de fluides des corps matériels, gaz, liquides et plasmas, qui peuvent se mettre sous une forme quelconque lorsqu'ils sont soumis à un système de forces, ces forces pouvant être aussi faibles que l'on veut, à condition qu'on fasse agir pendant un temps assez long.

Concepts de la biomécanique

Définition : application de la mécanique à l'étude des systèmes biologiques de l'homme, des animaux et même et même des végétaux

Biomécanique : approche de la structure et du fonctionnement des êtres vivants s'appuyant sur les lois de la mécanique et les méthodes du mécanicien ayant pour objectif de connaître et comprendre, afin d'exploiter d'améliorer ou de restaurer les capacités fonctionnelles de ces êtres

  • interaction : sciences naturelles, de l'ingénierie et de la médecine
  • origine : un grand nombre de science
  • application : sport, la réadaptation, l'ergonomie

La biomécanique est considérée comme étant l'application de la physique à l'étude de tout organisme vivant, à l'étude des forces générées ou subies par l'organisme et de leurs effets sur son mouvement ou déformation.

Définition générale

C'est l'application des principes et des lois de la mécaniques à l'étude des systèmes biologiques.

Plus spécifiquement, L'Étude de l'Homme en mouvement, des forces externes (force de réaction au sol) qui agissent sur lui et des forces internes.

Pour permettre ces analyses, la biomécanique est pluridisciplinaire.

Pour quelle applications ?

  • Ergonomie : conception des postes de travail
  • Médecine : télé-chirurgie / prothèse et orthèses
  • Robotique : reproduction par des machines
  • Sport : amélioration des performances, du matériel

La mécanique comprend trois grandes parties :

  • La cinématique : mouvement en fonction du temps (causes)
  • La dynamique : relations entres forces et les mouvements qu'elles produisent
  • La statique : équilibre des forces. Il s'agit donc de la science et déséquilibre (état de repos résultant de forces qui s'annulent)

La dynamique introduit la notion d'effort s'exerçant sur un ensemble mécanique. Son but est de relier les efforts aux mouvements possibles de cet ensemble (en permettant de calculer les efforts, si l'on connaît le mouvement,ou, inversement, de déterminer le mouvement, si les efforts sont donnés ou peuvent être éliminés pour ceux d'entre eux qui seraient inconnus a priori).

Les grands objectifs :

  • optimiser la performances
  • préserver l'intégrité de la structure (du corps humain)
  • réparer la structure et corriger les dysfonctionnements.

Exemples appliqués à une structure

Préserver l'intégrité de la structure

Objectif : prévenir les effets des sur-sollicitations

  • aiguës : accidents de la route, du travail, du sport
  • chroniques : troubles musculo-squelettiques

Démarche :

  • Analyser les circonstances réelles de survenue des accidents, des pathologie
  • Définir des critères mécaniques de blessure, de fatigue, de gêne, d'inconfort :
  • Définir expérimentalement des courbes de risque (liant critère mécanique et probabilité de survenue des dysfonctionnements ou des dommages.
  • Caractériser la réponse mécanique aux sollicitations.
  • Développer des outils d'évaluation et d'aide à la conception de solution de prévention.

Réparer la structure, corriger le disfonctionnement

Domaine : chirurgie réparatrice, orthopédie

Démarche :

  •     Définir de critères fonctionnels
  •     Développer des outils d'évaluation et d'aide à la décision
  •     Définir la population « normale »
  •     Caractériser l'écart par rapport à la normale
  •     Réaliser et appliquer une stratégie corrective
  •     Evaluer les résultats de l'action corrective

Optimiser la performance

Domaine : sport, travail, handicap

Démarche :

  • Définir des critères de performances
  • Comparer la performance d'individus
  • Identifier les facteurs de la performances
  • Hiérarchiser et quantifier leur influence
  • Modéliser la performance
  • Développer et appliquer des outils d'évaluation et d'aide à la conception de tâches, d'équipements, de formation.

Questions plus techniques

  • Acquisition de géométrie interne sur humain vivant (imagerie non invasive)
  • Identification de propriétés de mécaniques sur les tissus os ou tissus mous représentatifs du vivant
  • Transfert à l'humain et validation des résultats obtenus sur substituts (pièces anatomiques, animaux)
  • Imprécision des mesures faites sur sujets volontaires dans l'analyse du mouvement avec marqueur externes
  • Algorithme du contrôle moteur des mouvement volontaires
  • Validation expérimentale des modèles numériques

Etude du mouvement humain

  • Connaissance des quantités cinématiques/cinétiques
  • Utilisation de modèle anthropométriques
  • Analyse segmentaire estimation masse et CM
  • Constitution d'une base de données anthropomorphique

Modèles actuels

Modèles détaillés du corps entier par éléments finis (plusieurs dizaines de milliers d'éléments).

Questions en suspend :

  • Organes mous mal représentés
  • Propriété des tissus mous en dynamique peu commun
  • Prédiction approximative des dommages.

Modèles multicorps comportant des muscles.

Biomécanique, sport et médecine

Sport et matériel

  • Le sport important dans l'étude du mouvement (Aristote, Marey...)
  • La marche et la course : les plus étudiées (communes à plusieurs disciplines sportives...)
  • La chaussure et du vêtement... (chaussure de course, de randonnée, de tennis, confort de la chaussure – poids – adhérence au sol – sa durabilité – sa capacité à absorber les chocs – à protéger le pied, la cheville...)

Prothèse de hanche : le chirurgien tient compte des matériaux, de la géométrie de la prothèse, de la qualité mécanique de l'os.

Comment préserver ses articulations ? Les douleurs fonctionnelles sont bien connues des sportifs

Analyse du mouvement humain normal et pathologique

  • Souvent des gestes quotidiens comme la marche
  • But : comprendre le fonctionnement des éléments moteurs qui, tout en étant parfaitement normaux, ne se comportent pas toujours de la même façon.
  • Intégration des sciences de l'activité physique et sportive, la mécanique, les sciences neurologiques -> stratégie de mouvements

La biomécanique orthopédique : maladies musculo-squelletique (scoliose...)

Les forces entrainant ces déformations sont souvent estimées à partir des propriétés mécaniques des tissus biologiques. Il y a donc prédictions de la correction espérée.

Loi de Wolff et Roux, fin du 19ème

Adaptation de l'os : en 1892, Wolff publie la transformation de l'os dans lequel il décrit comment l'os mis en charge se renforce alors qu'un os peu sollicité se résorbe. La fabrication de plaques, vis, tiges repose sur cette loi. Une plaque trop rigide pour consolider une fracture entraînerait le contraire. L'os se résorberait.

En 1895, Roux énonce deux principes dans la foulée de Wolff

  • L'adaptabilité d'un organe contribue à la réalisation de sa fonction par l'usage
  • Le design maximum-minimum d'une structure est d'atteindre la résistance avec le minimum de matériaux.

Par ce dernier principe, Roux explique l'orientation spécifique des fibres de collagènes qui permet à l'os du supporter le maximum de charge avec un minimum de matériau.

Modélisation dynamique du geste sportif

  • Au niveau local : variables collectives modélisation locale des mécanismes de contrôle
  • Au niveau global : étude biomécanique complète : vers l'optimisation du geste

L'acquisition d'adaptation et la transformation d'une habileté motrice.

Construction d'une organisation fonctionnelle orientée vers un objectif.

La biomécanique est une siscipline qui s'intègre parfaitement dans le domaine du sport et qui fait le lien entre sections spécifiques CNRS et FSS. La mécanique du mouvement sert a améliorer la performance sportive soit se diriger vers « une modélisation biomécanique de l'humain plus complexe ». Prendre en compte le milieu fluide dans lequel le sportif évolue (aérodynamique) extension à d'autres domaines.

Particularités de la machine humaine

  • Personne n'a les plans ! Un des objectifs principaux reste la compréhension du fonctionnement
  • Extrêmement variabilité des caractéristiques d'un individu à l'autre : forme, dimension résistance, tolérance
  • Capacités fonctionnelles (perceptives, cognitives, motrices,...)
  • Toujours considérer une population cible
  • Evolution des caractéristiques en fonction du temps (âge, vieillissement)
  • Réactivité et adaptation du vivant face aux agressions
  • Optimisation liée à l'évolution

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Sophie

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