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La NFL couronne une équipe québécoise à son concours Helmet Challenge

Le groupe Kollide, formé d’ingénieurs et de designers montréalais, est colauréat du concours NFL Helmet Challenge. La somme de près de 700 000 $ CA (550 000 $ US) récompense son concept de casque de football entièrement imaginé et réalisé au Québec.

Un prototype de casque de football posé sur une table.

Le prototype du casque mis au point par le groupe Kollide

Photo : Radio-Canada

C’est la fête! Après un an de stress et d’énergie déployés à concevoir de A à Z un casque de football, ses efforts sont récompensés. Et pas par n’importe qui : la National Football League (NFL), plus grande ligue professionnelle de football. Au terme de son concours Helmet Challenge, dont le but est de stimuler l’innovation dans la conception d’un casque de football amélioré, la NFL a honoré le groupe québécois Kollide, seul groupe canadien en lice.

« J’étais super heureux, super excité, et surtout super fier de l’équipe. »

— Une citation de  Franck Le Navéaux, coordonnateur du projet Kollide
Franck Le Navéaux est dans les bureaux de Numalogics.

Franck Le Navéaux est coordonnateur du projet Kollide.

Photo : Radio-Canada

Courir sa chance

L’aventure commence en novembre 2019, lorsque la NFL donne le coup d’envoi au concours Helmet Challenge.

Le concours vise à améliorer la protection des joueurs contre les impacts à la tête. Le football est un sport où la tête prend souvent un coup, que ce soit durant les entraînements ou les matchs. Certains de ces coups sont si violents qu’ils mènent à des commotions cérébrales. L’objectif du concours est l’amélioration de la capacité du casque à absorber une part de l’énergie de l’impact avant qu’elle soit transmise à la tête.

Un casque qui diminue les risques de commotions cérébrales

Gabriel Boutin, de l’entreprise montréalaise Kupol, est un spécialiste de l'impression 3D. C’est lui qui lance l’idée de participer au concours de la NFL. Il a de l’expertise dans le domaine des casques, surtout de vélo, et il cherche une manière d’avoir une influence plus grande pour ce qui est de la protection de la tête. Le Helmet Challenge de la NFL est, pour lui, une compétition de choix.

« Je me suis dit : il faut absolument qu'on aille de l'avant avec ça. Et, de fil en aiguille, on a rassemblé une équipe qui était capable de gagner! »

— Une citation de  Gabriel Boutin, spécialiste en impression 3D à Kupol
Gabriel Boutin pose devant des imprimantes.

Gabriel Boutin, spécialiste en impression 3D à Kupol

Photo : Radio-Canada

Quatre entreprises et l’École de technologie supérieure (ÉTS) unissent leurs forces pour former le groupe Kollide : Kupol en impression 3D, Tactix en design industriel, Numalogics en simulation numérique, Shapeshift 3D en customisation et l’ÉTS pour la caractérisation des matériaux et les tests d’impact.

Si tous les membres de l’équipe ont des expertises variées et complémentaires, aucun n’a encore conçu de casque de football. Malgré tout, après une première sélection parmi la centaine de candidatures reçues, la NFL retient quatre groupes distincts pour participer à la grande finale.

En juin 2020, le groupe montréalais apprend que sa candidature est retenue. Mais voilà : le concours exige que le prototype soit déposé en juillet 2021. Un an, rien de plus, pour dessiner, concevoir et tester un casque de football complet, alors qu’ils partent de zéro ou presque. C’est de la folie. Surtout en plein milieu d’une pandémie qui limite les contacts et perturbe les approvisionnements.

Un casque de football sur la planche à dessin

Martin Laberge, designer industriel à Tactix, fait d’abord l’inventaire de ce qui existe sur le marché. Il examine ce que les casques ont en commun et ce qui les distingue. Il trace les premières esquisses de ce qu’il imagine devenir la coque du casque de football montréalais.

Un croquis de casque de football apparaît sur un écran d'ordinateur.

Croquis du casque conçu par le groupe Kollide pour le concours « Helmet Challenge »

Photo : Radio-Canada

« Le projet, au départ, était très orienté vers l'ingénierie. Cependant, on ne voulait pas se ramasser avec une boîte carrée qui peut fonctionner, mais qui ne va pas plaire aux joueurs. »

— Une citation de  Martin Laberge, designer industriel à Tactix

Pour s’imprégner davantage de la culture du football professionnel et comprendre ce que les joueurs recherchent avant tout dans un casque, ils discutent avec quelques-uns d’entre eux, dont Martin Bédard, ex-joueur des Alouettes de Montréal. Il en ressort un certain nombre de critères, dont l’allure du casque, les ouvertures pour la vision et l’audition, l’aération, la façon dont il colle à la tête, son poids et ses qualités en matière d’absorption d’impact.

« Maintenant, le casque prend une importance encore plus grande parce que, justement, on veut s'assurer que la protection qu'il nous offre est la plus optimale possible. »

— Une citation de  Martin Bédard, joueur professionnel de football
Le joueur de football Martin Bédard pose dans l'atelier de Tactix.

Martin Bédard, joueur professionnel de football

Photo : Radio-Canada

Justement, quant à l’absorption d’impact, les ingénieurs misent sur des structures souples et légères, un assemblage en forme de treillis. Mais il faut d’abord caractériser la résistance des matériaux et produire une série de tests numériques afin de déterminer quelle géométrie et quelle taille de maillage offrent les meilleures performances.

Un coussinet d'absorption est comprimé entre les doigts d'une personne.

Les coussinets d'absorption sont formés de cellules compressibles qui rappellent la forme d'un treillis.

Photo : Radio-Canada

On s’intéresse à deux éléments en particulier :

  • le flambement, soit la capacité de la structure à se déformer d’un coup pour absorber de l’énergie;
  • le cisaillement, soit sa capacité à résister à des forces latérales opposées.

Une fois que les simulations numériques ont permis de repérer les meilleurs designs de structures à la base des coussinets d’absorption dans le casque, on les imprime pour les soumettre à des tests physiques dans les laboratoires de l’ÉTS.

Une image virtuelle d'un matériau d'absorption durant une simulation numérique.

La simulation numérique d'un test de comportement de matériau

Photo : Radio-Canada

« On a testé 48 treillis. On pourrait avoir, par exemple, différentes caractéristiques de coussinets à divers endroits du casque en fonction de l'impact. On va être capable de moduler ces coussinets-là en modifiant, par exemple, les caractéristiques du treillis. »

— Une citation de  Éric Wagnac, professeur en génie mécanique à l'École de technologie supérieure

Le casque montréalais prend forme

Parallèlement à la mise au point des coussinets d’absorption, le designer Martin Laberge sculpte la coque à partir des esquisses successives réalisées en dessin. Sur une surface argileuse, il pratique des ouvertures, dégage des lignes stylistiques et revoit certains reliefs.

Le casque doit être distinctif dans son apparence, mais sans trop détonner de l’aspect attendu d’un casque de football. Il doit aussi tenir compte des proportions de l'ensemble et de l’équilibre des formes.

Martin Laberge sculpte la coque du casque sur une forme en argile.

Martin Laberge, designer industriel à Tactix, sculpte les premières lignes du casque.

Photo : Radio-Canada

« On veut un casque profilé. Si j'ai l'air d'avoir une méchante grosse tête, un "bobble head", il y a des chances que je ne choisisse pas ce casque-là. »

— Une citation de  Martin Bédard, joueur professionnel de football

Il faut dire aussi que le concours de la NFL impose des limites de taille et de poids. Franck Le Navéaux, qui coordonne le projet pour le groupe Kollide, explique que les casques peuvent aller jusqu’à 2,2 kg, ce qui est à peu de chose près le poids des meilleurs sur le marché.

C’est entre autres pour une question de poids que l’adoption des structures ajourées, en treillis, est intéressante. Ce n’est pas la seule raison. Comme elles sont fabriquées en impression 3D, on peut, par programmation, agir plus finement sur leurs formes, qui ne répondent pas aux plans traditionnels.

« On part carrément d'une surface horizontale, puis on migre vers un plan incliné. Comme ça, on respecte le contact avec la tête, mais aussi le contact avec le casque. »

— Une citation de  Gabriel Boutin, spécialiste en impression 3D à Kupol
Un coussinet d'absorption s'imprime en 3D.

Les coussinets d'absorption sont à géométrie variable.

Photo : Radio-Canada

Au total, 95 cellules composent la couche absorbante du casque. Toutes sont retenues ensemble par un harnais qui, lui, se fixe à la paroi intérieure de la coque.

Le design de chaque cellule a été optimisé, selon la position qu’elle occupe dans le casque. Les cellules se comprimeront à un certain niveau d’énergie au moment de l’impact. En se déformant, elles absorberont une partie de l’énergie qui, autrement, serait transmise à la tête.

Comme le football se pratique parfois par temps très chaud ou très froid, les cellules seront testées à différentes températures pour s’assurer qu’elles conservent leurs propriétés mécaniques, peu importe les conditions.

Une personne s'apprête à insérer un coussinet d'absorption dans le harnais qui le soutient.

Les coussinets d'absorption s'imbriquent dans un harnais fixé à l'intérieur du casque.

Photo : Radio-Canada

Le casque au banc d'essai

Comme le temps court toujours, 10 mois à peine après le début de la compétition, l’équipe de l’ÉTS se prépare à la longue série de tests d’impact. Dans les semaines qui ont précédé, on a dû assembler, en toute hâte, un banc d’essai dans le laboratoire. Le casque a été fixé à la tête d’un mannequin.

À l’intérieur de la tête, des gyroscopes et des accéléromètres permettent de mesurer la vitesse à laquelle se déplace la tête du mannequin et la direction dans laquelle elle le fait. Les tests d’impact sont identiques à ceux que la NFL fait subir à tous les casques soumis au concours.

« Il y a six directions d'impact à trois vitesses différentes. À partir de ces 18 impacts-là, on va recueillir l'accélération linéaire, mais aussi l'accélération rotationnelle pour chacune des situations. »

— Une citation de  Éric Wagnac, professeur en génie mécanique à l'École de technologie supérieure
Un casque de football, monté sur une tête de mannequin instrumentée, subit un test d'impact.

Un des nombreux tests d'impact réalisés sur le casque dans les laboratoires de l'ÉTS

Photo : Radio-Canada

Le test impose un coup oblique, à l’arrière du casque, puis un à l’avant, deux coups sur les côtés et deux autres sur la grille. Les points d’impact et les vitesses ont été déterminés par la NFL à partir d’analyses fines de certaines vidéos de jeux qui ont mené à des commotions cérébrales. Différents impacts induiront différents mouvements de la tête. Ceux qui imposent une rotation provoquent plus souvent des commotions cérébrales.

Chaque coup, durant le test, permet de calculer un indice. Le cumul de ces indices permet d’établir un résultat de performance globale pour le casque. La NFL exige que les casques déposés au concours réduisent au maximum les accélérations de la tête.

« La NFL veut un score en dessous de 0,7. C'est quand même un très grand pas en avant, parce que c'est 15 % de mieux que le meilleur casque sur le marché. »

— Une citation de  Franck Le Navéaux, coordonnateur du projet Kollide et de la recherche scientifique à Numalogics

Au moment de déposer leur prototype, en juillet 2021, leur meilleur résultat atteint presque la cible fixée par la NFL. Une pareille performance en si peu de temps pour une équipe qui partait de zéro ou presque, c’est un exploit!

« Je n'aurais jamais pensé que le casque porté par les joueurs était un défi d'ingénierie ou de design aussi grand. »

— Une citation de  Éric Wagnac, professeur en génie mécanique à l'École de technologie supérieure
Éric Wagnac, professeur en génie mécanique, pose dans le laboratoire d'impact de l'École de technologie supérieure.

Éric Wagnac, professeur en génie mécanique à l'École de technologie supérieure

Photo : Radio-Canada

Trois mois plus tard, en octobre, la NFL reconnaît le talent et les efforts du groupe Kollide. La somme obtenue de la NFL permettra de pousser le concept encore plus loin, de faire de nombreux ajustements et de multiplier les tests pour améliorer encore les performances du casque, avant d’atteindre un niveau de commercialisation.

« Je pense que la NFL reconnaît le potentiel de l’équipe à amener ça plus loin. »

— Une citation de  Franck Le Navéaux, coordonnateur du projet Kollide

Bientôt, peut-être, le génie et le design montréalais pourraient faire leur entrée dans les grands stades et se mesurer aux casques concurrents, posés sur la tête des plus grands joueurs de football.

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