Développement du système V-Care pour l’entrainement en toute autonomie des astronautes.

Le consortium MEDES-COMEX a développé pour le compte de l’ESA un nouveau système de suivi pour les exercices physiques de l’équipage : bodytracking Visuel Contrôlé pour l’Exercice Résistif Avancé (V-CARE).

Optimiser le suivi corporel des mouvements en temps réel.

Contexte :

La Station Spatiale Internationale (ISS) joue un rôle crucial en permettant de conduire des recherches approfondies sur les conséquences de l’exposition prolongée à l’apesanteur sur la santé humaine. Ces études ont identifié des problèmes significatifs tels que la détérioration osseuse, l’atrophie musculaire, et le déclin de la fonction cardiovasculaire, parmi d’autres effets néfastes. La nécessité de l’exercice résistif en tant que moyen de contremesure pour ces impacts de la microgravité est désormais bien établie, grâce aux décennies d’expérience humaine dans l’espace. En effet, des publications scientifiques, telles que celles parues dans le Journal of Bone and Mineral Research, ont démontré les bénéfices de l’exercice résistif sur la santé osseuse.

L’exécution d’exercices physiques est donc essentielle pour maintenir une condition physique optimale et limiter ces effets de déconditionnement. Cependant, lors de la réalisation de ces exercices, surtout lorsqu’ils impliquent des charges élevées, le risque de blessures, telles que des douleurs musculaires, ne peut être négligé. Une étude clé publiée dans le Spine Journal en août 2017 a notamment mis en lumière les modifications de la colonne vertébrale et l’atrophie musculaire subies par les astronautes, soulignant l’importance d’une approche préventive et adaptative dans l’élaboration des programmes d’entraînement physique dans l’espace.

Nécessité d’innovation dans le contexte spatial :

Actuellement, une ou deux fois pour une mission de 6 mois (souvent au milieu de la mission), une téléconférence en temps réel (audio et vidéo) est organisée entre l’astronaute s’exerçant sur l’ARED (Advanced Resistive Exercise Device) et l’équipe de formateurs physiques située dans un centre de contrôle de vol. Les entraîneurs peuvent réagir en temps réel lorsque des positions inappropriées sont observées. Cette procédure n’est pas suffisante, et elle est aussi contraignante car nécessite une connexion temps réel et ne va pas dans le sens de l’autonomie de l’équipage qui est un élément important à prendre en compte. La mise en œuvre d’un bodytracking s’affichant en temps réel aux astronautes lorsqu’ils s’exercent à haute intensité sur ARED est parfaitement justifiée et nécessaire d’un point de vue sécurité. Pour résoudre cela, l’idée était de fournir à l’ESA un système de capture vidéo des mouvements sans marqueurs permettant une auto-surveillance (par retour vidéo en temps réel) au sujet lui-même (l’astronaute) lors de l’exercice résistif sur l’ARED de l’ISS et également compatible avec les futurs appareils d’exercice anticipés pour les futures missions d’exploration.

Présentation du système V-Care :

Pour prévenir les blessures lors des séances d’exercices de contre-mesure, le système V-Care, développé par COMEX, représente une solution avancée visant à perfectionner les exercices résistifs dans l’espace, en particulier à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS). Exploitant la technologie Microsoft Azure Kinect, V-Care assure le suivi en 3D des mouvements du corps sans avoir besoin de marqueurs. Cette caractéristique non seulement facilite sa mise en œuvre et son utilisation mais permet également un guidage en temps réel de l’astronaute grâce à un retour visuel durant les exercices.

Face aux défis techniques, notamment l’impact de la tenue vestimentaire des participants et les interférences environnementales sur la qualité de la capture, des solutions ont été développées pour assurer la fiabilité des données. Par exemple, il est recommandé que les participants portent des vêtements serrés et de couleur claire pour minimiser les perturbations du signal infrarouge et optimiser la capture de mouvement. De plus, le positionnement optimal des participants par rapport à la caméra Azure Kinect est crucial pour maintenir la précision des mesures. Son architecture innovante assure une intégration fluide avec des équipements comme l’ARED, en fournissant un retour en temps réel aux astronautes pour optimiser la sécurité et l’efficacité de leurs entraînements. Ce système représente un progrès significatif dans la préparation physique des équipages spatiaux, offrant un outil crucial pour la gestion des risques liés aux exercices en microgravité, tout en surmontant les défis techniques pour maintenir une haute qualité de suivi des mouvements.

Évaluation et résultats :

L’évaluation approfondie de V-Care, concentrée sur des simulations d’exercices résistifs sur une représentation de ARED avec 11 participants, a employé une méthodologie spécifique pour tester l’efficacité et la précision du système dans des conditions mimant l’environnement spatial. Cette phase d’évaluation a inclus la mise en place de plusieurs critères de réussite et mesures de performance, tels que la précision de la capture des mouvements, la stabilité des courbes générées par le système, et la capacité du système à fournir un feedback en temps réel. Les participants ont été invités à réaliser des exercices résistifs tout en portant des tenues adaptées pour optimiser la capture des mouvements, mettant ainsi en évidence l’importance de la préparation physique et de l’équipement adéquat. L’analyse des résultats a révélé que 56 acquisitions sur 66 tests ont été couronnées de succès, démontrant l’efficacité de l’interface utilisateur graphique (GUI), actuellement basé sur des oscillations, pour un suivi précis et en temps réel et validant la capacité de V-Care à offrir un retour précis pour adapter et corriger la posture et l’exécution des exercices.

Impact sur l’entraînement des astronautes :

L’impact de V-Care sur l’entraînement des astronautes marque une évolution significative dans la préparation physique pour les missions spatiales. En intégrant un système avancé de bodytracking en temps réel, V-Care permet une meilleure adaptation des exercices résistifs, cruciaux pour contrer les effets néfastes de la microgravité sur le corps humain. Cette technologie améliore non seulement la sécurité en réduisant le risque de blessures grâce à des corrections immédiates de la posture, mais optimise également l’efficacité de chaque session d’entraînement, garantissant que les astronautes maintiennent une condition physique optimale tout au long de leur mission.

Perspectives :

L’intégration de V-Care dans les routines d’entraînement sur l’ISS représente une avancée significative pour la préparation physique des équipages spatiaux, offrant un outil essentiel pour la gestion des risques liés aux exercices en microgravité. Dans le cadre de la suite du projet, une mise à jour importante de l’interface utilisateur graphique (GUI) est prévue pour inclure le suivi corporel avec une représentation 3D de l’astronaute, son avatar, actuellement basé sur des oscillations. Cette évolution permettrait une immersion et une interaction accrues, facilitant ainsi un feedback plus précis et personnalisé. En outre, le système V-Care pourrait être utilisé sur le dispositif « E4D » de l’ESA pour des essais à bord de l’ISS en 2025, marquant un pas en avant dans la technologie d’entraînement spatial.

En envisageant l’avenir, V-Care pourrait être adapté pour les missions vers Mars , offrant une solution compacte et efficace pour le maintien de la santé musculosquelettique des astronautes lors de missions spatiales prolongées. Les études sur l’efficacité du feedback dans l’entraînement physique soutiennent l’idée que des feedbacks précis et en temps réel peuvent considérablement améliorer la qualité des exercices en aidant à maintenir l’alignement correct du corps, à prévenir les blessures, et à optimiser la récupération musculaire, ce qui est crucial pour les longues missions spatiales où l’accès à des installations médicales complètes est limité. La capacité de V-Care à s’adapter aux divers besoins d’entraînement et à fournir des analyses détaillées de la performance pourrait transformer la façon dont les astronautes s’entraînent, en améliorant leur santé et leur performance globale dans l’espace.

Partenaire : MEDES possède une expertise unique en médecine spatiale et dans le cadre de l’évaluation / recherche impliquant des sujets humains ainsi que dans la mise en œuvre opérationnelle d’expériences européennes de sciences de la vie menées à bord de l’ISS (expériences MARES & SARCOLAB 1 & 2).

Simulez des conditions de dépressurisation extrêmes avec nos chambres dépressurisées

Dans le domaine aéronautique, la sécurité des passagers et de l’équipage est d’une importance primordiale. Les scénarios de dépressurisation en vol peuvent être particulièrement critiques, nécessitant des essais et des validations rigoureux pour garantir la fiabilité des systèmes et des équipements à bord des avions. C’est là que notre entreprise, leader dans le domaine des tests en pression et dépression depuis plus de 60 ans, entre en jeu. Avec notre gamme complète de chambres hypobares, nous sommes en mesure de simuler le vide et la dépressurisation avec une précision exceptionnelle.

Simulateur de surface lunaire

Pour préparer l’exploration humaine et robotique sur la lune

L’hydrosphère COMEX est une installation unique en Europe. Une chambre à vide de cinq mètres de diamètre contenant 3,5 tonnes de simulant de régolithe lunaire qui sert à effectuer des tests de préparation pour les futures missions sur le sol lunaire.
L’installation référencée auprès de l’ESA (Agence Spatiale Européenne), offre des capacités de test spécifique afin de simuler des sorties extravéhiculaires.

L’une des principales contraintes des opérations sur le sol lunaire est la poussière qui s’y trouve, le régolithe. La nature abrasive du régolithe est cause de dommages, défaillances mécaniques, usure des matériaux, etc.

Actuellement, il n’existe que peu d’installations dans le monde dans lesquelles les effets de la poussière lunaire peuvent être testés dans un environnement sous vide. COMEX possède la seule installation en Europe permettant de réaliser de tels essais.

Simuler des opérations de surface avec un sol lunaire (simulant) dans le vide

Dans le monde, il existe plusieurs chambres ou modèle de terrain qui peuvent être utilisés pour des essais d’équipements, soit dans des conditions de vide recréant une atmosphère lunaire, soit sur un terrain simulant le sol lunaire. Mais très rares sont les moyens qui simulent les deux à la fois.

Le simulateur de surface lunaire HYDROSPHERE proposé par COMEX est donc un atout supplémentaire pour le développement des activités spatiales au niveau européen. La possibilité de simuler des opérations de surface lunaire sous vide dans une chambre de 5 mètres de diamètre offre un champ d’exploration très large.

L’installation est composée de trois chambres hermétiquement closes et d’un centre de contrôle.
La sphère de 5 m de diamètre est l’élément principal de l’installation, celle-ci permettant de reproduire la surface lunaire avec ses 3,5 tonnes de régolithe (simulant).

En termes de géochimie, divers simulant de régolithe peuvent être disponibles allant de la haute-fidélité, par exemple pour l’échantillonnage, l’analyse d’échantillons et les tests ISRU, aux simulants et rochers de faible fidélité qui peuvent être utilisés pour tester la mobilité et la connaissance de la situation d’un rover. COMEX est actuellement en possession de simulant de type EAC-1 fournit par l’ESA-EAC remplissant le sol de l’HYDROSPHÈRE. 

Adjacent à la sphère, pour toutes activités intra-véhiculaires (vie en confinement, télémédecine), se trouve une deuxième enceinte utilisée comme sas et une troisième enceinte, l’habitat, une chambre qui offre un espace pour un équipage composé au maximum de huit sujets. L’habitat a un volume qui est proche du laboratoire COLUMBUS de l’ISS.

La sphère principale peut être desservie par une grue et permet de recevoir de gros éléments de 2m de diamètre depuis son sommet.

Simulations de missions humaines

Simulations de surface, vols habités, habitats et systèmes de survie

L’installation Hydrosphère peut être utilisée à différentes fins de simulations.

• Futures missions humaines et robotiques sur la surface lunaire ou Mars
• Appréhension des facteurs humains des vols spatiaux
• Simulations d’opérations d’habitat et de systèmes de survie

La similitude du volume de l’habitat de l’hydrosphère avec le volume interne de COLUMBUS de l’ISS a été déterminante dans le projet ESA BIOMODEXO, où des modèles mathématiques de bio-contamination ont été validés à l’intérieur de l’habitat et pourrait également être utilisés pour développer des méthodes contre l’introduction de poussière pour de prochaines expéditions sur la Lune ou sur Mars.

Le centre de contrôle adjacent est utilisé pour surveiller l’activité à l’intérieur de l’installation. Il permet également de :

• Simuler un contrôle de mission, comme un centre en communication avec l’équipage avec l’ajout d’un retard dans les liaisons
• Évaluer les interactions homme-robot qui sont simulées, par exemple entre le caisson habitacle et la sphère principale ou directement entre un astronaute et le robot tous deux dans la sphère contenant le régolithe.

En plus de l’environnement lunaire, le simulateur peut également être utilisé pour d’autres applications planétaires comme la démonstration technologique du rover de récupération d’échantillons de Mars, les drones (systèmes de vol dans une atmosphère de faible densité) ou toute autre application similaire identifiée dans le cadre des missions d’exploration extra-terrestre.

Simulations de missions robotiques.

Les futures missions sur la Lune verront très probablement l’avènement d’une coopération entre des astronautes et des éclaireurs ou aides robotiques. L’atout de l’installation Hydrosphère de COMEX est d’offrir simplement la possibilité de simuler différents scénarios de mission avec de tels robots

• Le robot dans la sphère et un équipage le contrôlant depuis le centre de commande
• L’Homme et le robot dans la sphère, en coopération
• Un vol de drone dans une atmosphère contrôlée

L’expertise en pression maitrisé acquise par COMEX depuis plus de 60 ans et les infrastructures présentes sur son site en font un centre de tests et d’essais unique en Europe, que ce soit pour des applications sous-marines, terrestres ou extra-terrestres. C’est pourquoi COMEX participe au développement des projets spatiaux depuis les années 80 en collaboration avec l’ESA et le CNES et que ses installations sont répertoriées auprès de ces agences.

COMEX soutient la formation des astronautes de l’ESA

L’ESA a récemment sélectionné une nouvelle promotion d’astronautes, nous souhaitons profiter de l’occasion pour présenter notre activité en tant que prestataire de services de l’ESA dans le cadre d’un contrat relatif aux activités spécifiques de formation des astronautes. Depuis 2019, COMEX travaille avec l’ESA pour mettre en œuvre des activités d’entraînement et de plongée dans l’installation de flottabilité neutre (NBF) du Centre des astronautes européens (EAC) à Cologne (Allemagne).

La dernière campagne de recrutement d’astronautes de l’ESA s’est terminée le 23 novembre 2022. Sur 22 523 candidats, l’ESA a sélectionné 17 nouveaux candidats astronautes à qui nous adressons nos sincères félicitations. Parmi eux, deux astronautes français ont été sélectionnés, Sophie Adenot en tant qu’astronaute de carrière et Arnaud Prost, ancien ingénieur de projet COMEX et plongeur, en tant qu’astronaute de réserve.
Dès l’année prochaine, cinq astronautes de carrière issus de cette nouvelle promotion d’astronautes de l’ESA recevront la formation de base de l’ESA organisée au Centre des astronautes européens (EAC) à Cologne. Il s’agit de la première phase de formation pour tous les candidats astronautes après leur sélection, qui les initie à différentes connaissances et compétences fondamentales pour les vols spatiaux. L’équipe de plongeurs COMEX à Cologne aidera l’ESA à mettre en œuvre la partie de cet entraînement de base consacrée aux sorties dans l’espace dans l’installation à flottabilité neutre (NBF) de l’EAC.

L’installation à flottabilité neutre (NBF) au Centre Européens des astronautes

Le contrat concernant le soutien à la formation entre ESA et COMEX a été signé pour la première fois au printemps 2019. Depuis lors, COMEX soutient l’ESA pour toutes les activités du NBF avec une équipe de plongeurs de sécurité locaux supervisée par notre chef de projet, Kathrin Nowak. Sous la coordination d’Hervé Stevenin, l’entraîneur des astronautes de l’ESA pour les activités extravéhiculaires (EVA). L’équipe de plongeurs fournit un soutien technique et assure la sécurité lors de la mise en œuvre des activités d’entraînement et de tests de simulation dans l’eau.

Entrainement EVA : l’activité principale au sein du NBF

L’activité du Centre NBF consiste à la pré-familiarisation et l’entraînement aux EVA des astronautes de l’ESA pour les activités extra-véhiculaires (EVA ou sorties dans l’espace). Les astronautes européens sont formés par l’ESA aux règles d’engagement des EVA, par le biais de simulations sous-marines de tâches typiques des sorties dans l’espace de l’ISS effectuées à l’intérieur du NBF en flottabilité neutre simulant l’apesanteur.

Plongeurs NFB  (crédits photo : B. Schulze)

Kathrin NOWAK, notre chef de projet en charge des opérations de plongée

Au-delà de ce projet, Comex est également partenaire de l’ESA et du CNES depuis de nombreuses années sur différents sujets pour le secteur spatial. Notre équipe travaille notamment sur des projets de R&D tels que le dispositif VCARE, ou des projets autour de futurs habitats spatiaux et de support de vie tels que les équipements de filtration air/eau en milieu spatial. Ces projets, menés sur le site de Marseille, s’appuient sur les infrastructures de COMEX, uniques en Europe, offrant par exemple la possibilité de simuler des opérations de surface lunaire sous vide.

Depuis que l’homme explore l’espace, l’un des plus grands enjeux consiste à pouvoir y séjourner sur une longue période (6 mois). On sait qu’avec le temps, l’absence de gravité provoque un vieillissement prématuré des os ainsi qu’une atrophie musculaire chez le spationaute. Il est donc indispensable de pratiquer régulièrement des exercices physiques résistifs optimisés pour contrer la perte musculaire et osseuse durant les vols spatiaux.

Objectifs

• Détection des centres articulaires d’un individu pour estimer les oscillations d’angles des articulations durant des exercices physiques
• Optimisation de la fatigue musculaire avec un programme adapté pour renforcer les muscles
• Amélioration des conditions de voyage spatial et optimisation la charge utile au départ du voyage spatial

Un des objectifs des chercheurs est de contrôler la posture du spationaute lors de séances d’exercices physiques résistifs pour en optimiser l’efficacité tout en réduisant le risque de blessure à la suite d’une mauvaise utilisation, en particulier pour des mouvements du corps nécessitant de fortes charges comme c’est le cas avec le dispositif ARED (pour « Advanced Resistive Exercise Device ») à bord de la Station Spatiale Internationale ISS. Pour ce faire, une solution consiste à utiliser un outil permettant le suivi temps réel des mouvements afin de les corriger en temps réel comme le font tous les coachs sportifs.

Dans le cadre d’un démonstrateur technologique, l’ESA demande une évaluation des performances d’un système développé par COMEX avec le support en médecine spatiale apporté par le MEDES.

Contexte

COMEX a développé un système d’analyse du mouvement appelé V-Care permettant le suivi du mouvement en 3D dont l’avantage est qu’il est sans marqueurs (Markerless body-traking). Le système utilise deux caméras qui sont compactes et faciles d’installation.

L’étude présentée ici avait pour but d’évaluer la précision de ce système à partir d’angles articulaires sélectionnés. Les données obtenues avec V-Care ont été comparées à celles d’un système Gold Standard dans le domaine.

Les deux systèmes ont été comparés lors de trois exercices physiques résistifs représentatifs d’une évaluation fonctionnelle au Technosport d’Aix-Marseille Université.

Résultats

Cette étude visait à comparer la performance d’un système de capture du mouvement sans marqueurs, V-Care, au gold standard dans le domaine.

Le système V-Care est plus performant pour suivre les deux articulations principales des membres inférieurs. Pour les membres supérieurs l’erreur est plus importante.

Malgré cette précision plus faible sur les membres supérieurs, le système V-Care semble être adapté pour le suivi réel d’exercices physiques dans le cadre de vols spatiaux. Son côté « Plug & Play » lui permet une utilisation aisée et rapide au regard des temps de préparation du système Gold standard dans le domaine. Ces derniers peuvent être de l’ordre de la journée pour la mise en place initiale d’une dizaine de caméras, plus une demi heure pour la pose des marqueurs.

Perspectives

Pour conclure cette étude, le V-Care apparait comme un outil simple d’utilisation et suffisamment précis pour le suivi du mouvement lors de tâches fonctionnelles.

La prochaine étape consiste à intégrer le système V-Care dans un dispositif d’exercices résistifs simulant le ARED.

Experte en pressions maitrisées, la COMEX a créé en 2016 son simulateur d’altitude. Ce moyen d’essais recrée les conditions de pressions en altitude. Il est désormais un outil de référence pour l’industrie aéronautique et spatiale, afin de répondre à leurs besoins de validation et certification de nouveaux équipements.

Répondre aux besoins de l’industrie aéronautique

Le simulateur d’altitude, développé et transformé depuis près de 10 ans par la COMEX au sein de son centre de test hypobare, répond au besoin croissant de moyens d’essais pour mettre en conditions d’altitude simulée des sujets humains.

Cette chambre hypoxique de 20m² habitacle est capable d’accueillir en même temps plusieurs acteurs (sujets, personnel médical, personnel technique) et de simuler des vols allant jusqu’à 40 000 pieds (~12000m) d’altitude. Ces tests d’altitude aéronautique sont systématiquement réalisés sous contrôle médical.

Accompagnement médical

A cette fin, COMEX s’est associée à Phymarex : un regroupement de médecins, d’infirmiers et de chercheurs experts en médecine subaquatique, aéronautique et spatiale. Ces spécialistes utilisent depuis les années 70 des caissons hyperbares et hypobares pour traiter différentes pathologies. Au cours des années 2000, ils ont débuté une collaboration avec des médecins du travail du secteur aéronautique, afin de les accompagner pour la réalisation d’études sur le personnel navigant. Progressivement ces études ont été réalisées dans le simulateur d’altitude de la COMEX. De plus, en 2016, l’Agence Régionale de la Santé (ARS) a délivré à la COMEX un agrément pour la réalisation d’essais, sous contrôle médical sur des sujets sains.

Cet agrément a entrainé la réalisation d’une très grande variété d’essais. Que ce soit de la recherche et du développement sur du matériel médical, sur du matériel embarqué comme des masques à oxygène, des cagoules de protection contre les fumées. Mais aussi des expérimentations physiologiques pour l’adaptation à des environnements de très hautes altitudes.

« On les installe sur un et on reproduit l’environnement cabine. Après leur avoir fait respirer de l’air en début de session, sans les avertir, on va les passer à un mélange sous-oxygéné à 12 %, ils vont ressentir des symptômes dus à l’hypoxie, qu’ils vont devoir annoncer, pour pouvoir justement les préparer à dépister le manque d’oxygène qui pourrait arriver quand il y a une dépressurisation cabine ou lorsque les masques à oxygène dysfonctionnent. »

A ce jour ce sont plus de 150 personnes qui ont participé à ces vols simulés, sans aucun accident médical.

COMEX a démontré lors de son histoire sa capacité à repousser les limites de la plongée professionnelle grâce à deux axes : des innovations sur le matériel et une meilleure connaissance des effets physiologiques des hautes pressions.
Elle poursuit dorénavant ce travail en s’orientant vers l’altitude et la très grande altitude.

Communiqué de presse