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Vers une meilleure protection des joueurs de football - Par : Éric Wagnac, Yvan Petit, Franck Le Naveaux,

Vers une meilleure protection des joueurs de football


Le groupe Kollide-ETS, composé de chercheurs de l’École de technologie supérieure (ÉTS), Éric Wagnac et Yvan Petit, ainsi que par le consortium Kollide, qui regroupe quatre entreprises montréalaises (Kupol spécialisée en design et impression 3D, Shapeshift3D en personnalisation de produits, Numalogics en simulations numériques, et Tactix en design d’équipements sportifs), ont obtenu une subvention de 320 000 $ du NFL Helmet Challenge et de 173 000 $ du MEDTEQ  afin de développer le meilleur casque de football possible. Kollide-ETS soumettra son prototype à la clôture du concours en juillet 2021.  L’objectif de ce concours est la création d’un casque qui offrira, tests de laboratoire à l’appui, plus de protection que tous les casques actuellement utilisés par les joueurs de la NFL.

Éric Wagnac
Éric Wagnac est professeur au département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur la biomécanique, la conception par ordinateur, la simulation par éléments finis, les dispositifs de protection et les outils chirurgicaux.
Programme : Génie mécanique 

Yvan Petit
Yvan Petit est professeur au département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses intérêts de recherche portent sur la conception assistée par ordinateur, la biomécanique, les dispositifs médicaux et de protection et la fabrication additive.

Franck Le Naveaux
Franck Le Naveaux Profil de l'auteur(e)
Franck Le Naveaux est responsable de la recherche scientifique chez Numalogics.

Protection du cerveau au football

Achetée sur Istock.com. Droits d’auteur.

Les commotions cérébrales au football : un fléau

Les risques de commotion cérébrale liés à la pratique du football sont connus autant des spécialistes que du grand public. Durant l’année 2017, ce sont 281 commotions cérébrales qui ont été enregistrées dans la National Football League (NFL). Une étude publiée dans le Journal of the American Medical Association (JAMA) en 2017, suivant l’autopsie d’une centaine de joueurs professionnels, a même conclu que neuf joueurs sur dix souffraient de dégénérescence cérébrale chronique causée par les chocs répétés reçus à la tête au cours de leur carrière.

Les jeunes aussi sont touchés par ce fléau. Un sondage révélait qu’ils étaient près de la moitié à rapporter des symptômes s’apparentant à une commotion cérébrale au cours d’une unique saison de football.

Malgré toute l’attention qui est portée au phénomène, les casques de protection ont peu évolué durant les dernières années et n’offrent pas une protection suffisante principalement en raison d’un ajustement inadéquat entre le casque et la tête du joueur, ainsi que l’incapacité des coussinets de protection à rediriger l’énergie d’impact dans des directions stratégiques.

Une approche innovante pour une protection accrue

La solution technologique proposée par le groupe Kollide-ETS est basée sur l’optimisation et la personnalisation de structures architecturées (en instance de brevet par Kupol) imprimée en 3D, qui agiront comme coussinets de protection à l’intérieur du casque.

Structures architecturées de Kollide-ETS

La structure architecturée Kupol a été retenue en raison de ces nombreux avantages :

  • Elle est légère et offre une bonne respirabilité; 
  • La résistance offerte par la structure augmente progressivement lors de la compression donc présente un large spectre d’efficacité;
  • Son comportement est anisotrope, c’est-à-dire qu’il varie selon la direction de chargement, ce qui limite autant les accélérations linéaires et qu’angulaires en cas d’impact oblique.

Premier prototype du casque de KOLLIDE

Optimisation de la protection par tests virtuels

Après avoir caractérisé les propriétés mécaniques des matériaux élastomères issus de procédés de fabrication additive, un modèle virtuel de la structure sera créé en utilisant la méthode des éléments finis, puis validé expérimentalement. Ce modèle virtuel permettra de comparer une infinité de design et d’analyser comment la géométrie de la structure, comme la taille et le diamètre des poutres, la densité de mailles et l’épaisseur de la membrane, affecte le comportement du coussinet. L’objectif est de maximiser l’absorption de l’énergie dans des directions préférentielles d’impact, soit des chargements en compression pure lors d’impact direct ou combinant compression et cisaillement lors d’impact angulaire. Un modèle virtuel du casque complet sera également soumis aux mêmes tests d’impact employés par la NFL pour tester la performance des casques et permettra de déterminer la taille et la disposition des coussinets réduisant au maximum les accélérations de la tête dans de multiples directions.

Analyses des impacts sur le casque de Kollide-ETS

Acquisition de la géométrie de la tête du joueur

Le casque proposé est fabriqué sur mesure pour chaque joueur, ce qui nécessite de scanner la tête en 3D. La technologie privilégiée est déjà intégrée dans les plus récents modèles de téléphones intelligents. Cette accessibilité permettrait au joueur de réaliser l’acquisition chez lui, sans avoir à se déplacer. Des efforts de validation sont déjà en cours afin de s’assurer que ces technologies sont suffisamment précises pour la numérisation de têtes.

Personnalisation du casque de Kollide-ETS

Impression 3D non planaire

Une fois les coussinets architecturés optimisés, ces derniers seront fabriqués via une technique d’impression 3D non-planaire qui, contrairement à la technique traditionnelle qui imprime couche par couche une pièce sur une surface plane, consiste à imprimer les coussinets en suivant la courbure de la tête. L’impression 3D non planaire de la structure architecturée permet l’obtention de coussinets aux propriétés mécaniques accrues et mieux adaptés à la morphologie propre à chaque personne sans altérer la protection.

Impression 3D non planaire de la structure architecturée de Kollide-ETS

Éric Wagnac

Profil de l'auteur(e)

Éric Wagnac est professeur au département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses recherches portent sur la biomécanique, la conception par ordinateur, la simulation par éléments finis, les dispositifs de protection et les outils chirurgicaux.

Programme : Génie mécanique 

Laboratoires de recherche : LIO – Laboratoire de recherche en imagerie et orthopédie 

Profil de l'auteur(e)

Yvan Petit

Profil de l'auteur(e)

Yvan Petit est professeur au département de génie mécanique de l’ÉTS. Ses intérêts de recherche portent sur la conception assistée par ordinateur, la biomécanique, les dispositifs médicaux et de protection et la fabrication additive.

Programme : Génie mécanique  Génie technologies de la santé 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada en biomécanique des traumatismes à la tête et la colonne vertébrale 

Laboratoires de recherche : ÉREST – Équipe de recherche en sécurité du travail  LIO – Laboratoire de recherche en imagerie et orthopédie 

Profil de l'auteur(e)

Franck Le Naveaux

Profil de l'auteur(e)

Franck Le Naveaux est responsable de la recherche scientifique chez Numalogics.

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