Paralympiques : comment optimiser les lames de saut pour les athlètes amputés ? 

Cet article a été publié en exclu­si­vi­té dans notre maga­zine Le 3,14 sur la science et le sport.
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Les Jeux Olym­piques et Para­lym­piques de Paris de 2024 arrivent à grands pas. Dans le cadre du pro­jet Sciences²⁰²⁴, nous menons des tra­vaux pour amé­lio­rer la per­for­mance des pro­thèses tibiales employées par cer­tains para­lym­piens pour le saut en lon­gueur. Il existe plu­sieurs caté­go­ries d’am​pu​tés – ampu­ta­tion basse ou haute de la jambe, des deux membres ou d’un seul – mais nous nous foca­li­sons sur les ampu­tés uni­la­té­raux, c’est​-à​-dire ceux qui ont été ampu­tés d’une seule jambe au-des­sous du genou. 

Notre démarche a pour objec­tif decher­cher des solu­tions pour opti­mi­ser la res­ti­tu­tion de l’éner​gie au moment cri­tique du saut : c’est l’ins​tant même de l’im​pul​sion qui per­met au spor­tif de se pro­je­ter en avant. Chez les ampu­tés uni­la­té­raux, la lame de saut – en car­bone rigide mais de forme très élan­cée – rem­place le membre ampu­té et s’as​si​mile à un gros res­sort presque parfait.

La lame, qui s’em​boite sur le membre rési­duel, per­met au spor­tif de prendre son élan en appuyant des­sus et en la com­pri­mant ain­si for­te­ment au moment de l’im​pul​sion. Lors d’un saut en lon­gueur, un ath­lète réa­lise une course d’é​lan impor­tante : plus il court vite, plus il emma­ga­sine de l’éner​gie ciné­tique, qui est ensuite « trans­for­mée » en impul­sion lors du der­nier appel. L’en​jeu prin­ci­pal consiste à conver­tir cette éner­gie ciné­tique, liée à la vitesse d’é​lan, en « éner­gie d’im​pul​sion » pour per­mettre au spor­tif de s’é​lan​cer le plus loin possible.

L’en​jeu prin­ci­pal est de conver­tir la vitesse d’é​lan en éner­gie d’im​pul​sion pour per­mettre au spor­tif de s’é​lan​cer le plus loin possible.

Cer­tains para­mètres, comme un angle de saut inadap­té, une mau­vaise posi­tion du corps ou les mou­ve­ments para­sites de l’ath​lète pen­dant le saut peuvent dis­si­per cette pré­cieuse éner­gie. De plus, les frot­te­ments dans l’em​boî​ture ou encore les chocs trans­mis au corps du spor­tif peuvent conduire à des bles­sures – et ce, même si le geste ou la pro­thèse sont pen­sés de la meilleure façon pos­sible pour la per­for­mance. C’est pour­quoi nous cher­chons à com­prendre com­ment trans­fé­rer de façon opti­male cette éner­gie ciné­tique à l’im​pul​sion en effi­ca­ci­té vis-à-vis de la lon­gueur du saut sans occa­sion­ner de bles­sure nui­sible à la performance. 

Le geste spor­tif et la pro­thèse sont donc essen­tiels pour la conver­sion d’éner​gie. À cette fin, nous étu­dions l’éner​gie accu­mu­lée dans la lame afin que l’ath​lète puisse se pro­je­ter le plus loin pos­sible. Nous nous inté­res­sons davan­tage à la per­for­mance dans cette par­tie de notre tra­vail et nous tra­vaillons avec le direc­teur tech­nique de la Fédé­ra­tion fran­çaise han­di­sport qui nous met en contact avec les spor­tifs et leurs entraîneurs.

En plus d’a­mé­lio­rer les per­for­mances, nous cher­chons donc éga­le­ment à amé­lio­rer le confort des ath­lètes, à limi­ter leur fatigue et, bien enten­du, leurs bles­sures. La lame de saut est un appen­dice qui leur per­met de sau­ter, mais elle crée aus­si des vibra­tions et des chocs lors​qu’elle impacte le sol. Ces vibra­tions peuvent pro­vo­quer des fric­tions au niveau de l’em​boi​ture, géné­rant ain­si de l’in​con​fort, voire des dou­leurs. Nous cher­chons à mesu­rer ces chocs grâce à une modé­li­sa­tion numé­rique afin d’a​na​ly​ser leur trans­mis­sion au corps de l’ath​lète.

Nous pour­rons com­prendre com­ment les maté­riaux com­po­sant la lame et la pro­thèse peuvent se défor­mer méca­ni­que­ment et réduire les chocs.

Nous avons mis en place des pro­to­coles expé­ri­men­taux en labo­ra­toire qui vont nous per­mettre de repro­duire le geste spor­tif. Avec ceux-ci, nous pour­rons com­prendre la défor­ma­tion glo­bale de la lame, sous l’ef​fet de la com­pres­sion, à l’im​pul​sion mais sur­tout com­prendre com­ment les maté­riaux com­po­sant la lame et la pro­thèse trans­mettent les forces de la piste vers le corps de l’ath​lète. De plus on iden­ti­fie­ra leur rôle à la fois dans la res­ti­tu­tion d’éner​gie mais aus­si dans la réduc­tion du risque de bles­sures inhé­rent à la pratique.

Pour ce faire, nous avons déve­lop­pé de nom­breuses expé­riences en labo­ra­toire avec des ins­tru­men­ta­tions variées. Des camé­ras rapides et des cap­teurs nous per­mettent ain­si d’a​na​ly​ser en détail les phé­no­mènes dyna­miques et mesu­rer les efforts ain­si que le trans­fert des ondes. Ces mesures nous per­mettent d’al​ler vers une opti­mi­sa­tion glo­bale du sys­tème lame-prothèse.

Nous tra­vaillons éga­le­ment sur le déve­lop­pe­ment des maté­riaux qui consti­tuent la pro­thèse et nous nous effor­çons de trou­ver ceux qui don­ne­ront de bonnes per­for­mances glo­bales. Ces maté­riaux sont fabri­qués par impres­sion 3D, autre­ment appe­lée « fabri­ca­tion additive ».

Pour ana­ly­ser au mieux l’im​pact des maté­riaux et du geste spor­tif, nous étu­dions deux scé­na­rios. Dans le pre­mier, lorsque l’ath​lète appuie sur la lame assez len­te­ment, cela pro­voque une défor­ma­tion pro­gres­sive. Dans ce cas, l’in​for​ma​tion peut être ana­ly­sée de manière assez simple – par un pro­to­cole d’es​sai sta­tique en labo­ra­toire. La lame étant consti­tuée d’un maté­riau rigide mais de forme élan­cée, elle se déforme glo­ba­le­ment mais aus­si loca­le­ment au niveau de la semelle et au point de contact avec le membre rési­duel via l’em​boi​ture. Nous étu­dions donc les défor­ma­tions sta­tiques locales – qui per­mettent de com­prendre la façon dont l’éner­gie se dis­sipe – et la nature des pres­sions sur le membre ampu­té – qui peuvent pro­vo­quer d’é​ven​tuelles blessures. 

Deuxième scé­na­rio : la vitesse de sol­li­ci­ta­tion aug­mente pro­gres­si­ve­ment afin de repro­duire les condi­tions de la der­nière impul­sion de l’ath​lète sur la lame. Grâce à nos obser­va­tions pen­dant la course de l’ath​lète et au moment de son saut, nous sommes dans la capa­ci­té de mesu­rer la vitesse de défor­ma­tion de la lame et de la semelle. La trans­mis­sion des vibra­tions et des chocs depuis le sol vers la lame, puis vers le membre du spor­tif, est ain­si carac­té­ri­sée par des modèles théo­riques. Dans ce deuxième scé­na­rio, il est aus­si inté­res­sant de voir les effets dyna­miques et les forces qui inter­agissent entre la piste, la lame et l’ath​lète. Ces forces varient rapi­de­ment au moment de l’im​pul​sion et sont repré­sen­ta­tives des phé­no­mènes de chocs occa­sion­nant sou­vent des blessures.

Dans le pre­mier scé­na­rio, les forces sta­tiques sont à l’œuvre ; dans le deuxième, ce sont les forces dyna­miques ou impul­sion­nelles. Ces concepts sont cou­ram­ment uti­li­sés pour étu­dier des maté­riaux struc­tu­rés ou des méta­ma­té­riaux dans l’in​dus​trie. Nous les trans­po­sons au ser­vice de l’hu​main, afin de faire pro­gres­ser le domaine de « l’homme aug­men­té » ou le futur ath­lète médaillé !

Isabelle Dumé

Réfé­rences

• Inter­ac­tion ciné­ma­tique sol-struc­ture d’un mas­sif ren­for­cé par inclu­sions rigides sous séisme
• Expe­ri­men­tal inves­ti­ga­tions about com­plex non-relaxing fatigue loads for car­bon-black filled natu­ral rubber
• https://​www​.han​di​sport​.org