Effets des équipements de fantassin modernes sur la locomotion et la fatigue neuromusculaire du soldat déployé : simulation opérationnelle

Effects of modern land warfare equipments on deployed soldier locomotion and neuromuscular fatigue : operational simulation

• Auteur / Autrice : Jordane Grenier
• Direction : Laurent Messonnier, Jean-Benoît Morin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Motricité humaine et handicap
• Date : Soutenance le 15/11/2012
• Etablissement(s) : Saint-Etienne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Millet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefano Lazzer, Romuald Lepers, Caroline Nicol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Soldats

Muscles -- Fatigue

Locomotion humaine

Mots clés libres

Biomécanique

Pattern

Travail mécanique

Pendule inversé

Coût métabolique

Fatigue centrale

Fatigue périphérique

Sensation de fatigue

Biomechanics

Walking pattern

Mechanical work

Inverted pendulum

Energy cost

Central fatique

Periphal fatique

Sensation of fatigue

Résumé

La problématique du port de charges par l’Homme est l’objet de questionnements scientifiques depuis plus d’un siècle, notamment dans les armées où les soldats doivent remplir des objectifs opérationnels tout en emportant des équipements lourds, distribués de façon complexe autour de leur corps, et cela au cours d’efforts allant de quelques heures à plusieurs jours. Aussi, avec le développement des nouvelles technologies et l’arrivée des systèmes fantassins futurs sur le marché de la défense, cette problématique continue de se complexifier puisque la masse totale emportée tend encore à croître. Objectif général : Le but de ce travail de thèse était d’étudier l’impact biomécanique, métabolique et neuromusculaire du port d’un système fantassin moderne chez le soldat expérimenté. Plus précisément, une première recherche a été menée pour caractériser les effets aigus du port d’un tel équipement sur la biomécanique et le coût métabolique de la marche. Puis, une seconde recherche a été consacrée à l’étude des conséquences neuromusculaires et locomotrices d’une mission militaire (simulation sur le terrain) de durée « extrême » réalisée avec ce système fantassin moderne. Première partie : L’analyse de la marche sur tapis roulant dynamométrique a permis de montrer que le port du système fantassin en configurations de « combat » et de « marche d’approche » (principales configurations du théâtre militaire, représentant respectivement ~30 % et ~50 % de la masse corporelle des sujets) altérait le pattern spatio-temporel par rapport à la marche sans charge. Par ailleurs, le travail mécanique appliqué au centre de masse et le coût métabolique de la marche augmentaient parallèlement lors du port des deux configurations du système fantassin, ce qui résultait en un maintien du rendement locomoteur constant dans toutes les conditions testées. Le mécanisme de transfert d’énergie en pendule inversé (méthode Cavagna), permettant de minimiser les coûts mécanique et métabolique de transport, était également similaire dans toutes les conditions avec et sans charge. Enfin, bien que complexement organisés autour du corps du soldat, les équipements militaires n’induisaient pas d’effets mécaniques et métaboliques sensiblement plus importants que ceux rapportés lors du port de masses positionnées symétriquement autour de la taille ; ce mode de portage étant pourtant considéré comme l’un des plus optimisés, abstraction faite des techniques de portage sur la tête inadaptées au contexte militaire. Deuxième partie : La réalisation d’une mission simulée, incluant 21 h d’activités militaires sur le terrain et le port constant d’un système fantassin, résultait en une fatigue neuromusculaire (mesure des forces, électrostimulation et EMG) relativement modérée des muscles locomoteurs extenseurs du genou et fléchisseurs plantaires chez les soldats expérimentés inclus dans ce travail. Les origines de cette fatigue neuromusculaire étaient essentiellement périphériques, mais s’accompagnaient d’une fatigue subjective importante. Enfin, la réalisation de la mission, et donc la fatigue des muscles locomoteurs notamment associée à cette dernière, n’affectait pas sensiblement les paramètres mécaniques et métaboliques de la marche. Conclusion générale : Ce travail rapporte les premières données relatives aux effets biomécaniques, métaboliques et neuromusculaires du port d’un système fantassin moderne chez le soldat expérimenté, et ce par le biais d’une simulation opérationnelle visant à reproduire les conditions militaires

For more than a century, load carriage has been the source of many scientific questions and researches, especially in armies in which soldiers have to reach operational goals while carrying heavy loads complexly distributed around their body and this for some hours to several days. Moreover, with the development of new technologies and the advent of land warfare systems, this issue is becoming more complex since load continues to increase. General purpose: The aim of the present work was to investigate the biomechanical, metabolic and neuromuscular constraints imposed by the carriage of a modern land warfare system in experienced soldiers. Specifically, a first study was conducted to characterize the acute effects of land warfare equipments carriage on the biomechanics and energetics of walking. Moreover, a second research was performed to investigate the neuromuscular and locomotor consequences of an extreme-duration simulated military mission (performed in the field) involving the carriage of these specific equipments. First part: Walking analyses performed on an instrumented treadmill showed that the carriage of a land warfare system in two configurations made for “Battles” and “Road marches” (main configuration used in the field representing ~30% and ~50% of subject’s body mass, respectively) altered the walking pattern. Moreover, the mechanical work applied to the center of mass increased in parallel with the energy cost of walking during Battle and Road March configurations carriage, as shown by the constant locomotor efficiency in the three tested conditions. The inverted pendulum-like energy exchange (Cavagna’s standard method), allowing mechanical/metabolic energy saving, was also constant in all the unloaded and loaded conditions. Finally, even if the load was complexly distributed around soldiers’ body with this warfare system, this did not induce greater effects than those reported with loads carried symmetrically around the waist and close to the center of mass; which has yet been hypothesized to be the optimal method of load carriage from both mechanical and metabolic standpoints (except “original” methods such as head carrying that cannot be used in the military theater). Second part: Performing a 21-h simulated military mission with heavy land warfare system carriage induced relatively moderate neuromuscular alterations (isometric force measurement with electrical stimulation and EMG) for both knee extensors and plantar flexors locomotor muscle groups in experienced soldiers. Moreover, the origin of fatigue was essentially peripheral for both muscle groups but was concomitant with a large sensation of fatigue. Finally, the simulated mission, and notably the associated locomotor muscles fatigue, did not alter walking biomechanics and energetics. General conclusion: These results bring the first insight into the biomechanical, metabolic and neuromuscular consequences of modern land warfare system carriage in experienced soldiers, and this by a real-world approach aiming at simulating the military theater conditions