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Le geste du sportif au service de la science

Comment "Zizou" anticipe la passe et capte le ballon au bon endroit et au bon moment ? Par sa complexité et sa précision, le geste des sportifs inspire les chercheurs du Cress à Orsay. Etonnant : leurs travaux trouvent des applications multiples, en chirurgie, en robotique…

Un footballeur en pleine actionAu centre de recherches en sciences du sport (CRESS), les scientifiques tentent de comprendre comment un footballeur arrive à anticiper la chute du ballon après une passe de 40 m.
© DR

Marcher, courir, traverser la rue, attraper son stylo… Sans qu'il y paraisse, nos gestes quotidiens sont d'une étonnante complexité. Ils nécessitent une parfaite coordination entre les différents muscles, articulations, neurones, récepteurs sensoriels, etc. qui composent notre corps. "Aujourd'hui, aucune théorie n'est capable d'expliquer comment tous les mouvements que nous produisons sont aussi bien coordonnés", avoue Benoît Bardy, chercheur en neurosciences et directeur du Centre de recherches en sciences du sport (Cress) à Orsay. Depuis peu, les chercheurs de différents pays ont donc eu l'idée d'aller voir ce que le sport pouvait leur apprendre. Pourquoi ? Parce que les gestes réalisés par les sportifs, ô combien compliqués eux aussi, sont, sinon les plus efficaces, souvent les plus performants. Les scientifiques, qui décortiquent à loisir ces mouvements, peuvent alors tenter de comprendre comment un footballeur arrive à anticiper la chute du ballon après une passe de 40 mètres ou encore comment un patineur parvient à contrôler sa vitesse de rotation quand il est dans les airs.

01.Viser le geste parfait

Première surprise : "malgré ce que certains pensent, le geste du sportif n'est pas du tout répétitif et automatique", précise Benoît Bardy. Le gymnaste, en train d'exécuter un saut périlleux, n'est pas un simple robot. Se mettant en boule plus ou moins, il est sans arrêt en train de réguler son mouvement pour arriver au sol dans les meilleures conditions. De même, en athlétisme, les marcheurs, qui n'ont pas le droit de décoller les deux pieds simultanément, recherchent à tout moment la vitesse limite entre la marche et la course. C'est le genre de situations qui intéressent précisément les chercheurs. Ils veulent savoir, dans l'énorme flux d'informations que perçoivent les sportifs au cours de leurs mouvements, lesquelles leur sont utiles et lesquelles ne le sont pas.


Expérience de jonglage virtuelleExpérience de jonglage virtuelle (schématisée ici en image de synthèse). Un capteur enregistre les mouvements d’une raquette de ping-pong qui est représentée sur un écran. Le joueur doit frapper une balle virtuelle qui apparaît aussi sur l’écran. Le but du jeu est d’envoyer la balle à hauteur d’une ligne rouge le plus grand nombre de fois de suite. Le joueur est averti que la balle touche la raquette par un son. Avec cet exercice, les chercheurs évaluent quels paramètres entrent en jeu dans l’anticipation de la balle et ils regardent comment se fait l’apprentissage des mouvements.
© CRESS
Dans les laboratoires, grâce à des simulateurs qui recréent sur un écran, par exemple, la trajectoire d'un ballon ou d'une voiture de course, on teste un à un les paramètres qui interviennent dans l'activité sportive : perception des distances, des durées et du son, positionnement du corps… Les chercheurs du Cress ont ainsi constaté que lors d'un match de ping-pong, le joueur est plus sensible au temps que la balle va mettre pour toucher sa raquette qu'à la distance où elle se trouve à un moment donné.

Bien qu'elles aient pour origine le milieu sportif, ces recherches trouvent aussi des applications en dehors du stade ou du tatami. On pourrait ainsi envisager de mieux apprendre à des personnes amputées d'une jambe à marcher avec une prothèse. Ou, plus étonnant encore, du fait de l'importance du délai entre un geste et sa perception, améliorer les opérations chirurgicales à distance ou le téléguidage des robots sur Mars. Le Cress travaille d'ailleurs avec des chercheurs allemands sur ce thème. Décidément, les sportifs ont beaucoup à nous apprendre.

02.Le sport dévoile nos gestes quotidiens

Une sortie à la barre fixe en gymnastique, un exercice de main à main entre deux artistes de cirque, une course de haies en athlétisme. Difficile de ne pas être impressionné par la précision de tous ces gestes sportifs. Les chercheurs spécialistes de la motricité ne s'y sont pas trompés : le terrain de sport offre de multiples exemples de mouvements complexes. Grâce au sport, ils tentent donc de mettre en évidence des mécanismes généraux qui interviennent dans n'importe lequel de nos propres mouvements, comme le simple fait de marcher. Ils essaient aussi de comprendre comment tous nos gestes sont aussi bien coordonnés.

Mouvement décomposé d'un cyclisteDécomposition image par image d’une scène de cyclisme, par Etienne Jules Marey. Ce physiologiste, inventeur de la chronophotographie en 1882, fut l’un des premiers à analyser le mouvement.
© Collège de France

Aujourd'hui encore, les scientifiques sont loin d'avoir apporté des réponses satisfaisantes sur la mise en place des mouvements et leur complexité. Mais depuis une quinzaine d'années, les théories classiques qui ont cours sur la motricité sont remises en cause. "Pour caricaturer, elles assimilent le cerveau à un super ordinateur qui, par ses capacités de calcul, peut anticiper la trajectoire à venir, produire les contractions musculaires appropriées pour que le pied touche le sol au bon endroit et au bon moment", commente Benoît Bardy, chercheur en neurosciences et directeur du Centre de recherches en sciences du sport (Cress) à Orsay. L'image de l'ordinateur est, semble-t-il, vérifiée pour des mouvements simples, comme par exemple orienter ses yeux dans la bonne direction pour suivre un objet, mais elle pose des problèmes quand les gestes se compliquent. "Prenez une marche sur un tapis roulant ou contre le vent, explique Benoît Bardy. La commande motrice – les signaux envoyés par le système nerveux, dont le cerveau – est toujours la même. Pourtant les mouvements qui sont effectivement produits sont à chaque fois différents". Le cerveau ne peut donc plus à lui seul expliquer comment se créent et se maintiennent les mouvements.Enregistrements cinématiques de la marcheCourse de l'homme : chronophotographie géométrique partielle, réalisée par Etienne-Jules Marey en 1883.
© Musée Marey, Beaune
Cela a conduit les chercheurs à proposer de nouvelles théories. Ils estiment que nos gestes sont contraints également par d'autres facteurs: l'environnement dans lequel nous nous déplaçons avec tout ce que cela comporte (force de pesanteur, configuration des lieux…) mais aussi les contraintes biologiques imposés par nos muscles, nos articulations, nos neurones. "La théorie prétend qu'il existe des phénomènes ditsauto-organisés car ils se produisent indépendamment de notre volonté. Ils suivent des lois physiques ou biologiques", précise le chercheur. Scott Kelso, un psychologue américain a montré par une expérience simple comment ces mécanismes d'auto-organisation permettent d'obtenir des mouvements coordonnés dans le cas des doigts : pointez vos deux index l'un en face de l'autre puis inclinez un doigt vers le bas et un doigt vers le haut. Faites les osciller doucement, en veillant toujours à avoir un doigt en haut quand l'autre est en bas, puis de plus en plus vite. Au bout d'un moment, les deux index se retrouvent en face. Le mouvement s'est coordonné de lui-même.

Contrôler son mouvement en toutes circonstances

Modélisation mécanique du bras humainModélisation mécanique en trois dimensions du bras humain lors d'une tâche de préhension.
© CRESS
Le sport est riche de ces situations. Aussi, les neurophysiologistes, physiciens, biologistes et autres chercheurs se sont tournés vers lui pour mieux comprendre comment se coordonnent nos mouvements. Avec l'idée également que si les sportifs arrivent à contrôler leurs gestes, notamment ceux qui s'organisent d'eux-mêmes,ils pourront alors réaliser à « moindre coût » des performances. C'est particulièrement vrai pour la marche en athlétisme. Les marcheurs, qui n'ont pas le droit de décoller simultanément les deux pieds sous peine d'être disqualifiés, sont constamment à la limite entre la marche et lacourse. "Ils doivent connaître intuitivement cette vitesse limite et réguler les forces d'appui sur le sol pour ne jamais la dépasser", note Benoît Bardy. En gymnastique, lorsque les sportifs font un salto, eux aussi doivent contrôler leurs mouvements pour ne pas tourner trop vite et atterrir dans de bonnes conditions. Ils tirent parti d'un phénomène physique : plus les bras et les jambes sont près du corps (l'axe de rotation) et plus le gymnaste tournera vite. A eux donc de rapprocher ou d'éloigner tout au long de l'acrobatie les membres de leur corps.

03.L'art de l'anticipation

Simulation d'un contact en boxeLes chercheurs testent ainsi la capacité des sportifs débutants et experts à éviter le choc.
© CRESS
Les sportifs ne sont donc pas des robots. "Il faut s'enlever de l'esprit que la performance sportive est due uniquement à la répétition des gestes pendant l'entraînement, insiste le directeur du Cress. L'impression de stabilité dégagée par les danseurs, les acrobates, les athlètes est due au fait que pendant leurs mouvements, ils prélèvent des informations en continu de façon à réaliser un geste parfait". Voilà pourquoi ils ont tant à apprendre aux chercheurs. Comment un footballeur anticipe la passe de son arrière et capte le ballon au bon endroit et au bon moment ? Comment un joueur de tennis se prépare pour frapper la balle ? Autant de questions qui permettent d'en savoir plus sur le mouvement. Il s'agit de trouver quelles informations sont utiles pour exécuter un mouvement et lesquelles sont écartées tout au long de cette phase. On retrouve d'ailleurs ces situations lorsqu'il faut par exemple anticiper le mouvement des voitures pour traverser une rue ou quand un guitariste doit placer ses doigts sur les cordes au moment opportun. 

Simuler les gestes sportifs

Acrobates de cirqueLes acrobaties réalisées par les artistes de cirque sont particulièrement intéressantes pour les chercheurs car elles montrent bien l’importance du contrôle de l’orientation de son corps dans l’espace.
© CRESS
Pour recréer les comportementsdes sportifs, les chercheurs réalisent différentes expériences dansleurs laboratoires. Ils évaluent notamment la perception des distances et des durées, l'influence de la position du corps dans l'espace… Bref, tout ce qui va conditionner la réussite ou non d'un geste particulier."Nous devons dissocier chacun de ces facteurs et les tester un par unpour pouvoir mesurer leur importance relative", explique Benoît Bardy.Comment ? Grâce à la simulation et à la réalité virtuelle. Au Cress, par exemple, Isabelle Siegler a mis en place un exercice de jonglage avec une balle et une raquette de ping-pong. La raquette est réelle, laballe, elle, est virtuelle. Elle apparaît sur un écran en même temps que la représentation de la raquette (dont les mouvements sont mesurés par un capteur électronique). But du jeu : envoyer la balle à hauteur d'une ligne rouge le plus grand nombre de fois de suite. Le joueur est averti que la balle touche la raquette par un son. Pour corserl'affaire, on peut faire varier différents paramètres comme la vitessede chute de la balle, l'élasticité de la raquette ou la force de gravité à laquelle sont soumises la balle et la raquette, et même introduire un décalage entre le geste du poignet et le départ de la balle à l'écran. Dans une autre salle, Bruno Mantel demande à un «cobaye » d'évaluer la distance à laquelle il peut saisir différents objets virtuels immobiles ou en mouvement. C'est la situation à laquelle doit faire face un gardien de but pour arrêter un ballon ou un joueur de base-ball pour attraper la balle dans son gant.

04.Entraînement virtuel

Le tennis et l'art de l'anticipationLe tennis met en évidence les capacités d’anticipation du joueur. Celui-ci doit déterminer à l’avance le lieu et le moment où la balle touchera sa raquette.
© CRESS
Les chercheurs n'oublient pas non plus que c'est par la pratique que l'on acquiert le sens du mouvement. Ainsi, ils comparent pour un même geste sportif simple, comme le jonglage de la balle de ping-pong, les comportements de débutants et ceux d'experts. Autre méthode : prendre des débutants pour les rendre experts et regarder comment se transforment les mécanismes de contrôle du mouvement au cours de l'apprentissage. L'objectif étant toujours de mettre en évidence les mécanismes fondamentaux de la motricité.
Il arrive aussi que les chercheurs entrent dans les salles de sport. Ils filment avec des caméras rapides différentes actions sportives et les analysent ensuite en les repassant au ralenti. Par cette méthode, Nicolas Benguigui, du Cress, a montré qu'un joueur de tennis qui réalise un coup droitattache une plus grande importance au temps que va mettre la balle àtoucher sa raquette qu'à la distance entre la balle et la raquette. L'expérience de jonglage en laboratoire a même confirmé ce résultat.


Les sportifs, qui inspirent les recherches sur le mouvement, pourraient-ils donc en profiter à leur tour ? Pour Benoît Bardy, la réponse est oui. « Mais il ne faut pas oublier que nous n'en sommes encore qu'aux balbutiements de cette discipline scientifique », avertit-il. « Les clubs, les fédérations et les entraîneurs ne s'intéressent pas encore à ces aspects-là. En Formule 1 par exemple, la mécanique de la voiture prime sur les qualités de perception et d'anticipation du pilote ». Pourtant, on pourrait très bien imaginer une séance d'entraînement virtuel pour un pilote à qui on apprendrait à percevoir la meilleure trajectoire possible sur la piste et à anticiper le meilleur moment à l'approche d'un virage pour ralentir sa voiture. Les simulateurs de course n'attendent plus que les candidats à ce genre d'expérience, désireux d'améliorer leur performance.
Reconstruction virtuelle d’un pas danséAprès capture de mouvement, la reconstruction virtuelle en trois dimensions d’un pas dansé permet d’étudier en détails la succession des mouvements.
© CRESS
Pour le moment, l'étude du mouvement sportif est promise à un bel avenir en dehors des stades et des pistes d'athlétisme. Une première application, qui n'en est qu'aux prémices, serait la rééducation des personnes amputées d'une jambe. Les connaissances engrangées par les chercheurs sur la marche athlétique leur permettraient de mettre au point une technique pour apprendre à marcher avec une prothèse, la locomotion avec cet appareillage étant très différente de la locomotion avec les deux jambes.

Autre application, qui est cette fois à l'étude : les opérations chirurgicales à distance ainsi que le téléguidage des robots sur les planètes, du même type que ceux envoyés sur Mars par la Nasa. Quel rapport entre la course de l'athlète et ces deux techniques de manœuvres à distance ? Comme l'explique Benoît Bardy, « quand on introduit des décalages entre une action et la perception (visuelle, proprioceptive, sonore…) du mouvement, alors ce mouvement peut devenir chaotique ». Exactement comme dans l'expérience de jonglage avec la balle de ping-pong quand on introduit un délai entre le mouvement de la raquette réelle et celui de la raquette virtuelle. Avant de s'habituer, le joueur est d'abord totalement désorienté. Les chercheurs du Cress, en collaboration avec une vingtaine de laboratoires européens, tentent donc d'évaluer en dessous de quelle limite le délai est acceptable du point de vue des conséquences qu'il a sur le mouvement du bistouri ou la trajectoire du rover martien. Les hommes ont encore beaucoup à apprendre aux machines.

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