Isaac&Graham: quand la gravité alimente mon téléphone portable

3- Isaac&Graham : quand la gravité alimente mon téléphone portable

Publié par Joel Chevrier le 15 Avril 2013

Le professeur de physique grenoblois Joël Chevrier nous raconte le processus de création d’Isaac&Graham ; où l’on découvre la micro-énergie et son travail en compagnie d’un designer et d’un technologue.

Isaac&Graham est un montage d’apparence très simple (c’est fait pour) : une manivelle pour remonter facilement de un mètre une masse de 20kg. Libérée, la masse descend alors doucement en quelques minutes. Pendant la descente, elle alimente un téléphone portable (version Isaac&Graham) ou une LED (version Isaac&Thomas) à travers une dynamo. Un système autonome de production d’énergie électrique que l’on peut installer même loin de tout.

Le designer Mathieu Lehanneur a présenté Isaac&Graham dans son exposition "Choses" au Grand Hornu à Bruxelles

Le designer Mathieu Lehanneur a présenté Isaac&Graham dans son exposition "Choses" au Grand Hornu à Bruxelles

Presque banal. Où est l'intérêt ? Pratique d’abord. Ca marche et c’est un système efficace. Quelques secondes pour remonter cette masse à la main puis on dispose de 1 Watt pendant quelques minutes. 1 Watt, ce n’est pas énorme. Largement insuffisant pour faire la cuisine, mais assez pour s’éclairer ou se connecter au monde.

Aussi simple apparaisse-t-il, il a fallu deux designers, un professeur de physique et deux ingénieurs du CEA-Leti pour produire Isaac&Graham. Le designer Mathieu Lehanneur, en particulier, a trouvé le nom [ndlr : Isaac pour Newton, théoricien de la gravitation universelle, Graham pour Bell, inventeur du téléphone et Thomas pour Edison, pionnier de l’électricité]. Vraiment bien vu. C’est exactement cela. Avant cela, il a dû en faire une des "Choses" de son exposition, et donc d’abord un objet avec une place dans notre quotidien. Le rendre évident et simplement utile. Je n’aurais pas pensé que ce soit aussi difficile.

Un professeur de physique pour insister sur la transformation de l’énergie potentielle de pesanteur en électricité puis en en lumière ou en information et mettre les chiffres qui vont avec: mgH∆t-1 = 1 Watt. Un technologue pour transformer ces deux discours en une réalité. Rien de moins que deux ingénieurs du CEA-Leti pour assurer les détails du fonctionnement. C’est bien connu le diable est dans les détails. Particulièrement vrai dans le cas de la science et de la technologie. Toujours soigner les détails.

Il y a fallu une dynamo à haut rendement sur une grande plage de vitesses de rotation. Celle qui est au cœur de Isaac&Graham réalise cela. Elle fait l’objet d’un brevet Leti mais n’a pas été développée spécialement pour cette création. Aussi dans la boîte orange, il faut mettre une série d'engrenages pour obtenir une descente lente et le Watt alimentant une LED ou un téléphone. Là encore les détails. Si la dynamo a un haut rendement énergétique, il ne faut pas perdre l’énergie dans les frottements au sein des engrenages. Ca marche. Rien de bien nouveau ici. Une bonne mise en œuvre tout de même. Ca s’appelle un métier. Les engrenages et les roulements de toutes sortes sont toujours l’objet des préoccupations du monde industriel tant ils sont omniprésents. Ne jamais les oublier quand on voit un montage mécanique.

Avant les centrales, avant les réseaux de distribution électrique, avant les moteurs électriques ou à essence, le monde était lent utilisant d’abord l’énergie humaine, animale, hydraulique et éolienne. Beaucoup humaine et animale. Un peu éolienne et hydraulique (moulins, bateaux à voile,...). Stocker de l’énergie, c’était alors peut être d’abord manger et boire. La puissance disponible devait être au mieux de l’ordre de 100 watts pour un travailleur de force (l’ancien cheval-vapeur vaut 736 Watts). La puissance développée par un cycliste professionnel pour monter à l’Alpe d’Huez a fini par dépasser 400 Watts...

Isaac&Graham est à mes yeux une illustration de cette réalité : dans un monde devenant économe en énergie (et nécessité faisant loi, de plus en plus dans le futur), l’effort physique humain sera toujours là disponible pour alimenter nos machines du quotidien. Quelle découverte ! Enfant, mon vélo avait évidemment une dynamo. Oui mais je ne l’utilisais qu’en dernière extrémité tant elle était un frein puissant. Aujourd’hui je l’oublie et je roule toujours « plein phare ». Le vélo et sa dynamo sont d’un rendement énergétique remarquable. Une grande partie de leur intérêt.

Isaac&Graham propose une réflexion sur cette production et cette utilisation domestique de l’énergie humaine associée à des technologies efficaces et performantes. « Isaac (Newton) & Graham (Bell) » porte bien son nom. On voit ici combien les mots soulignent de fortes évolutions en cours. En plus des centrales et des réseaux de distribution à l’échelle des besoins d’une société, on parle de micro-énergie, locale, personnelle, ambiante et renouvelable. Pour l’enseignement, il reste à construire le discours qui doit accompagner Isaac&Graham. Il s’agira d’écrire d’une part mgH∆t-1 = 1 Watt et les transformations successives de l’énergie, et d’autre part, de souligner une nouvelle relation à l’énergie, issue en fait de la nuit des temps mais renouvelée par la technologie actuelle et en lien avec nos usages présents, pour répondre aux contraintes de notre temps.

Et puis, il faudra aussi exposer le plaisir que peuvent avoir à travailler ensemble un designer, un professeur et un technologue.

>> Voir aussi GravityLight, la lampe low-cost qui éclaire sans électricité

>> Illustrations : Véronique Huyghe pour Mathieu Lehanneur




4- L’accéléromètre pour écouter les vibrations du monde


Publié par Joel Chevrier le 10 février 2014
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Après son article sur les TP de physique utilisant des iPhones, Joël Chevrier, Professeur de physique à l'UJF et chercheur à l’Institut Néel, nous parle cette fois-ci d'accéléromètres.


Ce jour-là, à Grenoble, au Centre Interuniversitaire de Microélectronique et de Nanaotechnologie (CIME), sur le site de MINATEC, nous recevions, comme souvent, une classe de 1ère S d’un lycée de l’Isère dans le cadre du programme Nano@School. A chacun d’explorer l’invisible et l’inaudible autour de nous, par la technologie. Je revois cette lycéenne tenant une puce accéléromètre sur son front, se tournait vers sa copine : « c’est dingue, j’écoute vibrer mon crâne.»

A côté, son voisin, un musicien, avait collé sur son saxophone apporté pour la circonstance, un autre accéléromètre MEMS(l’acronyme anglais de Micro Système Electro Mécanique). Il venait de faire un saxo électrique (à 1min40 sec sur la vidéo ci-dessous) en enregistrant directement les vibrations mécaniques de l’instrument :

https://www.youtube.com/watch?v=OBaDVPp1-qs

D’autres essayaient d’estimer l’amplitude des vibrations d’une table. Effleurer cette table se signalait par un signal détecté par l’accéléromètre. L’amplitude de cette vibration est micrométrique voire nanométrique. Audible cependant sur de simples haut-parleurs. Les performances spectaculaires de ces accéléromètres étaient une vraie surprise pour ces lycéens. Comme à chaque visite de classe, ils allaient vers d’autres surprises.

Ainsi peut on découvrir que le monde environnant n’est pas rigide, fixe comme on le perçoit communément. Cette matière solide, apparemment inerte, bouge et vibre en permanence. Vibrations d’amplitude micro/nanométrique, imperceptibles mais on peut les détecter, les amplifier et les écouter se manifester avec un accéléromètre couplé à un PC par la prise jack. Nouvelle perception de l’environnement et même du corps, que l’on peut explorer grâce à ces puces accéléromètres MEMS. Des artistes ont bien vite compris le potentiel de ces vibrations imperceptibles mises en évidence pour leur créativité.

Des abeilles de Céleste Boursier Mougenot en France à Zimoun en Suisse qui écoute l’activité des vers dans du bois :

http://vimeo.com/6191050

Et puis, il y a eu l’impressionnant Touched Echo de Markus Kison, l’invisible mémorial de la Terrasse Brühlsche à Dresde. Par la conduction des sons dans les os de leurs avant-­bras, les visiteurs dans la calme après-midi d’un parc verdoyant, pouvaient soudain entendre les bombardements de la dernière guerre mondiale sur la ville. Ou pas. Il leurs suffisait de ne plus avoir les coudes en contact avec le garde corps sur cette terrasse. Inaudible, imperceptible pour les passants, sa vibration était là pour porter ce souvenir :

http://vimeo.com/1182182

Cette exploration ouvre en fait bien d’autres mondes. Celui des insectes et des habitants de cette planète qui sont de cette taille par exemple. Là encore nouvelles découvertes. En compagnie des ingénieurs du LETI, en préparant cette activité pour les lycéens, nous avions pu aller jusqu’à l’écoute des pas d’une fourmi sur une feuille d’aluminium tendu. Cela reste à adapter à l’éducation qui se fait d’abord l’hiver… mais les expériences faites par les classes permettent aussi d’aborder directement des comportements à ces échelles qui laissent rêveurs les spécialistes de la micromécanique. Une vidéo de la BBC montre comment des scorpions en chasse dans le désert, détectent les vibrations du sol par les poils vibrants ultrasensibles qu’ils ont au bout des pattes. Les éléments actifs des accéléromètres MEMS sont des dispositifs bien proches de ces poils vibrants : 

https://www.youtube.com/watch?v=JpVRDD8lLL0

Mais revenons à ces journées de lycéens à MINATEC. Privilège de ces quelques élèves en visite que d’utiliser du matériel high tech et hors de prix donc normalement inaccessible ? Même pas. Ces accéléromètres, merveilles de micromécanique fabriquées par la microélectronique, sont ceux que l’on trouve dans les airbags des voitures ou dans les smartphones. Une haute technologie grand public extrêmement bon marché et présente à des centaines de millions d’exemplaires sur la planète. C’est la deuxième surprise.

Où est la nouveauté alors ? Pas dans l’appareillage donc. Mais clairement dans l’innovation pédagogique basée sur l’utilisation de la technologie numérique que représente cet exemple de « Low Cost Hich Tech » utilisé pour des objectifs d’éducation scientifique aujourd’hui. Une utilisation pédagogique basée sur ces technologies est possible de l’école primaire à l’université. Et les accéléromètres ne sont qu’une des possibilités parmi d’autres capteurs MEMS. C’est d’abord une question d’identification des performances et de leur potentiel en vue donc de la construction d’un projet pédagogique lié à l’enseignement expérimental des sciences. Des programmes commeNano@School à Grenoble, ou équivalents dans d’autres universités en France, mènent une véritable recherche pédagogique à partir des microcomposants du numérique au service de l’éducation aux sciences.

A la suite de cette exploration d’abord basée sur la perception, on est finalement conduit à analyser des spectres de vibration et les fréquences caractéristiques associées, outils communs à des scientifiques, des techniciens ou des artistes, comme des sismologues, des électroniciens ou des musiciens. Cette étape plus exigeante qui implique un traitement numérique temps réel des enregistrements vient naturellement dans l’échange entre élèves à propos de leurs expériences. Ces nouvelles démarches pédagogiques dans l’approche expérimentale des sciences sont directement issues des technologies numériques qui sont largement répandues autour de nous. Leur utilisation ainsi décalée est d’ailleurs au coeur des FabLab. Elles ouvrent une nouvelle porte pour l’éducation à la méthode scientifique expérimentale en phase avec l’environnement quotidien des jeunes. « Perfect for gaming » disait Steve Jobs des smartphones équipés de ces capteurs. «Perfect for science investigation » aussi. On laissera le lecteur comparer les investissements faits, dans ce contexte, pour les jeux et ceux faits pour développer de vraies approches éducatives pour le plus grand nombre. Pas de surprise.

>> Du même auteur et sur des thèmes proches, lire aussi : "L’iPhone : "pocket lab" pour les étudiants en physique" et "Isaac&Graham : quand la gravité alimente mon téléphone portable"

>> Illustrations : Michael Kappel (Flickr, licence cc)
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