Le corps producteur d'énergie

ACCUEIL > Sciences Ouest > Année 2003 > 199 > Dossier du mois > L'essor de la biophysique > Le corps producteur d'énergie
La biophysique agrandit son territoire
Dans la boite à outils des physiciens
Des champs d'applications variés
Le corps producteur d'énergie
Pour en savoir plus...

 

Le corps producteur d'énergie
Quand les calories se transforment en watt

Quel est le thème de recherche commun à un médecin, un physiologiste, un ingénieur en mécanique et un électrotechnicien ? Réponse : l'énergie ! Et ce producteur original et pourtant tellement familier qu'est le corps humain. Ou quand la physique sollicite la biologie.

© Nathalie Blanc

 

Paul Delamarche (à droite), directeur du laboratoire, est physiologiste et titulaire d'une thèse en biomécanique. Franck Multon(à gauche), responsable du projet biomécanique, est informaticien et a effectué sa thèse à l'Irisa sur la simulation du mouvement humain.

 

Tout est parti d'un projet du CNRS de financer des recherches sur les énergies renouvelables. Au Satie1, un laboratoire de l'ENS de Cachan, sur le campus de Ker Lann, le professeur Bernard Multon s'intéresse alors à la récupération d'énergie produite par le corps humain, avec pour objectif final l'alimentation en électricité de petits appareils, tels que les agendas électroniques ou les téléphones portables en position de veille, voire des systèmes d'assistance médicale, comme les pacemakers par exemple. Le principe en soi n'est pas révolutionnaire -souvenons-nous des montres de nos grands-pères se rechargeant automatiquement grâce à un ressort qui oscillait au gré des mouvements du poignet-, mais les quantités d'énergie mises en jeu aujourd'hui sont des dizaines de fois plus importantes.

"L'équipe de l'ENS nous a contactés pour notre bonne connaissance du corps humain et de ses mouvements, explique Franck Multon, responsable du projet biomécanique au sein du laboratoire physiologie et biomécanique de l'exercice musculaire de l'Université de Rennes 2, dirigé par Paul Delamarche. Notre mission : dimensionner l'énergie du corps humain, déterminer sous quelle forme et à quels endroits elle peut être exploitée, pour permettre ensuite à nos collègues de l'ENS de travailler sur le système de conversion de cette énergie en électricité". Le lien était fait ; médecins, physiologistes, ingénieurs en mécanique et électroniciens collaborent depuis bientôt deux ans sur ce projet.

"Il faut savoir que le rendement d'un muscle n'est que de 20 %, commence Franck Multon, le reste est perdu en chaleur !" L'idée de vouloir récupérer cette énergie résiduelle est donc loin d'être farfelue. "Mais récupérer de la chaleur n'est pas chose facile. Pour être une piste exploitable, il faudrait que la différence de température entre le corps et l'extérieur soit beaucoup plus importante, précise-t-il. La piste la plus sûre était donc la récupération d'énergie mécanique".

 

Cette expérimentation sert à calculer l’énergie mécanique de la marche, avec des capteurs de mouvement, pour savoir où situer l’appareillage, comme une pile, qui récupérera le maximum d’énergie, avec le meilleur rendement.

 

Et de nouveau, plusieurs voies étaient envisageables. Les premiers essais de l'équipe de biomécanique ont tourné autour de l'énergie produite en actionnant tout simplement une manivelle. Des calculs précis de rendement ont été réalisés, à partir de la consommation d'oxygène, à différentes vitesses de rechargement. "Ce n'était pas rentable, poursuit Franck Multon. On ne peut pas demander à quelqu'un de s'essouffler à actionner une manivelle pour alime© LPBEM, Université Rennes 2nter en énergie son pacemaker !" Restait la récupération de l'énergie mécanique produite à partir d'un mouvement naturel, comme la marche ou la course. Ainsi, l'étude d'une personne marchant sur un tapis roulant, munie de capteurs placés à des endroits stratégiques, a permis de modéliser les mouvements en trois dimensions, via un logiciel créé au sein du laboratoire de physiologie et biomécanique de l’exercice musculaire. "On a ainsi accès à toutes les énergies produites par chaque segment corporel. Car notre but ici est d'en récupérer un maximum, avec un appareil qui soit ergonomique, sans gêne pour la personne.

 

L'humanoïde synthétique 3D, obtenu par capture du mouvement, utilisé pour évaluer le coût énergétique du mouvement humain.

Et tout est alors question d'équilibre. Exemples : chaque membre a une masse et plus la masse déplacée est importante, plus la quantité d'énergie produite est grande mais aussi celle dépensée ! De même, chaque kilogramme ajouté au système de récupération a un coût énergétique et doit être adapté au poids de la personne. Ou encore, si les calculs ont montré que c'est au niveau du pied qu'est produite la plus grande quantité d'énergie, l'endroit est peu adapté au port d'un téléphone portable… Au final, c'est la hanche qui a été retenue par l'équipe de biomécanique, charge ensuite aux chercheurs de l'ENS Cachan d'optimiser la pile au niveau taille, poids et rendement énergétique. Résultat : les prototypes actuels fournissent quelques dizaines de milliwatt. "Nous souhaitons améliorer encore le rendement pour atteindre le watt !", conclue, enthousiaste, Franck Multon.
L'alimentation d'un téléphone portable en fonctionnement et pas seulement en veille pourrait alors être envisagée…

NB

une coupe de la pile humaine, développée à partir de ces captures de mouvement, par le laboratoire de l'ENS Cachan antenne de Bretagne. Crédit : ENS Cachan.

 

 

Contacts :

Franck Multon, laboratoire de biomécanique, Université de Rennes 2, tél. : 02 99 14 17 75, franck.multon@uhb.fr.
Bernard Multon, laboratoire Satie, ENS de Cachan,
multon@bretagne.ens-cachan.fr