Neptune, un projet scientifique interdisciplinaire au service de la performance en natation et para-natation

L’analyse de compétition et de simulation de compétition

Avant l’analyse des compétitions de natation, l’entraîneur ne disposait que des temps de passage et d’impressions subjectives de « l’œil de l’entraîneur » pour analyser les performances des nageurs. La natation de compétition est une activité locomotrice cyclique pour laquelle les nageurs doivent gérer stratégiquement les paramètres de nage, c’est-à-dire l’amplitude (SL) et la fréquence gestuelle (SR) afin de garantir une vitesse de nage élevée avec peu de fluctuations entre et au sein des cycles (Schnitzler et al., 2010). En effet, les fluctuations de vitesse sont positivement corrélées au coût énergétique de la locomotion (Vilas Boas et al., 2011) et aux discontinuités entre les actions propulsives (Schnitzler et al., 2010 ; Seifert et al., 2010).

Bien que la Fédération française de natation (FFN) analyse les compétitions nationales et internationales à partir de son propre système de captation vidéo et logiciel d’annotation depuis 1987, ce dispositif reste manuel et requiert plusieurs caméras pour suivre l’ensemble des nageurs, si bien que la captation focalise sur les nageurs français et à la marge quelques nageurs étrangers. L’autre limitation est liée à l’absence de calibration spatiale de la piscine qui ne permet que des analyses subjectives par zones facilement repérables grâce aux marqueurs des lignes d’eau (0-15 m, 15-25 m, 25-45 m, 45-50 m). Ainsi, un premier axe concerne l’analyse de compétition, avec un enjeu majeur en vision assistée par ordinateur pour réaliser le suivi automatique des nageurs à partir de captations vidéo, et avec un enjeu en science des données pour analyser les différentes stratégies de gestion de course (Simbaña Escobar et al., 2018a ; Simbaña-Escobar et al., 2018b). Néanmoins, filmer les compétitions avec des caméras sous-marines n’étant pas autorisé, il n’est pas possible d’analyser la technique de nage et les parties non nagées (départ et virages). De ce fait, nous avons aussi étudié des simulations de course grâce à l’instrumentation de la piscine de l’INSEP avec un système de capture de mouvement (AIM©, Suède) composé de 22 caméras (12 sous-marines et 10 aériennes) permettant un suivi automatique du nageur pour réaliser des analyses cycle à cycle. Sur la base du système multi-caméras, un algorithme de suivi du nageur plus avancé a été développé pour analyser plus spécifiquement les phases de départ (partie aérienne et sous-marine) et les virages en plus des parties nagées. D’abord, les caméras ont été calibrées dans l’espace afin de pouvoir reconstruire une vue panoramique du départ du nageur capable également de s’adapter à son placement dans la largeur de la ligne d’eau. Les images ainsi générées sont analysées par notre intelligence artificielle afin d’estimer la position du nageur dans le bassin. On obtient ainsi le geste du nageur, sa position et son temps. Un effort important a été réalisé afin de permettre d’utiliser cet outil en condition d’entraînement, en optimisant les étapes d’analyse pour proposer des retours quelques minutes après un passage. La Fig. 1 illustre le résultat de cet outil sur le départ d’un nageur.

L’analyse des paramètres d’efficacité de la propulsion, de la coordination motrice et des aspects énergétiques

L’avancement en natation étant régi par la génération de propulsion et la minimisation des résistances, un second axe s’est intéressé à l’évaluation des paramètres d’efficacité de la propulsion, notamment les fluctuations de vitesse et la fluidité du déplacement (jerk cost, voir Bouvet et al., 2023). Les modifications du rapport fréquence/amplitude et de la coordination motrice permettent au nageur de maintenir son efficacité propulsive dans le temps mais peuvent avoir un impact sur la dépense énergétique. Étant donné la difficulté et le coût élevé pour instrumenter une piscine avec un système multi-caméras, une autre orientation pour capturer le mouvement a été d’utiliser des centrales inertielles (composées d’accéléromètres tridimensionnels, de gyroscopes tridimensionnels et de magnétomètres tridimensionnels) afin de disposer d’une solution technologique transportable, miniature, étanche et facile à installer pour évaluer la technique de nage. L’utilisation des centrales inertielles a permis d’identifier les points clés déterminant les phases propulsives et non propulsives du cycle de nage (Regaieg et al., 2023), puis le mode de coordination motrice a été évalué grâce à un index de coordination (IdC) (selon qu’il y a un temps mort, une continuité ou un chevauchement entre deux phases propulsives) (Chollet et Seifert, 2011). L’évaluation de la symétrie entre le côté droit et le côté gauche de coordination motrice s’est révélée un indicateur pertinent à mettre en relation avec le côté préférentiel d’inspiration en cas de respiration unilatérale et le côté du handicap chez les para-nageurs ayant une amputation ou agénésie unilatérale. Cela a en effet permis de juger si opposer le côté respiratoire au côté du handicap pouvait rééquilibrer l’asymétrie de coordination motrice observée et surtout si cette rééquilibration permettait une meilleure économie ou efficacité technique. De là, nous avons testé l’effet de différentes modalités respiratoires sur la symétrie de coordination motrice en crawl, notamment des modalités supposées permettre une symétrie de coordination (utiliser un tuba frontal, une respiration bilatérale comme inspirer tous les trois mouvements de bras, ou nager en apnée) et des modalités supposées amener une asymétrie de coordination (utiliser une respiration unilatérale, comme inspirer tous les deux ou quatre mouvements de bras du côté préférentiel et non préférentiel) (Seifert et al., 2024).

Bien que le projet Neptune ait bénéficié principalement aux (para)nageurs élites, et en particulier ceux potentiellement médaillables aux JOP de Paris 2024, il nous a semblé important de diffuser les outils et méthodes aux nageurs espoirs qui formeront l’élite de demain. Certains jeunes étant encore en cours de développement, un test de 10 × 25 m incrémenté en vitesse a permis d’établir une carte d’identité du nageur en identifiant deux régimes de fonctionnement : un régime de glisse ou de coordination constante (courbe en pointillés épais) et un régime de force maximale (courbe en pointillés fins) (Fig. 2) (Carmigniani et al., 2020). Dans le régime de coordination constante, les nageurs conservent une répartition de leurs temps de glisse sur la durée du cycle totale constante. L’augmentation de la vitesse (V) de nage se fait grâce à une augmentation proportionnelle de la fréquence gestuelle (SR) et à une amplitude constante (SL). Une coordination motrice en glisse permet de minimiser la consommation d’énergie pour des vitesses inférieures à une vitesse critique correspondant à l’indice de nage maximal (IN = V × SL). Dans le régime de force maximum, les nageurs poussent le plus fort qu’ils peuvent à chaque cycle et contrôlent leur vitesse en jouant sur les temps de glisse et de retour aérien. Dans ce régime, l’amplitude diminue mais l’indice de nage est constant. Ce régime est représenté par la courbe rouge dans la Figure 2. Quand le nageur s’éloigne de cette courbe rouge, il perd en « appui » quand il augmente sa fréquence, si bien que l’augmentation de la fréquence gestuelle n’entraîne pas une augmentation proportionnelle de sa vitesse. Cette perte d’appui (correspondant au gain potentiel de vitesse) est évaluée par l’aire entre la courbe rouge et la courbe en pointillés fins et se caractérise par une baisse de l’indice de nage. Le croisement entre les deux courbes en pointillés correspond à la transition entre les deux régimes de fonctionnement et à la valeur maximale d’indice de nage.

Étant donné l’incapacité à maintenir une grande force maximale au fur et à mesure que la fréquence gestuelle augmente, il est important d’identifier à la fois la fréquence préférentielle pour une vitesse de nage donnée (souvent associée à la dépense énergétique la plus faible) et d’être capable de varier sa fréquence gestuelle autour de sa fréquence préférentielle sans augmentation démesurée de la dépense énergétique (Simbaña-Escobar et al., 2020). Un deuxième test imposant des fréquences gestuelles de +/- 5 à 10 % de la fréquence préférentielle avec un métronome auditif (6 × 50 m pour les nageurs de sprints et 4 × 100 m pour les nageurs de moyenne et longue distance) a permis d’analyser la flexibilité de la fréquence gestuelle des nageurs et les conséquences sur la dépense énergétique et la coordination motrice.

L’analyse des résistances passives et actives en individuel et en peloton

Le troisième axe se focalise sur les résistances aquatiques (individuel et en groupe) et l’évaluation du profil charge-vitesse, car la haute performance et l’économie ne sont pas seulement dues à une propulsion efficace mais aussi à la minimisation des résistances passives et actives. En natation, on distingue les résistances à l’avancement lors des phases de glisse et de nage. On parle de résistance passive et active. Nous avons réalisé des tests permettant de dresser une carte d’identité des résistances passives en fonction de la position du nageur, de sa vitesse et de sa profondeur (Fig. 3).

Les résistances en phase de nage sont évaluées sur des exercices de sprints (all-out) soit en départ arrêté (le nageur part sans vitesse initiale et sans pousser au mur) soit avec une charge additionnelle (le nageur est légèrement retenu à l’aide d’une résistance connue, souvent générée par un moteur). Il faut une modélisation de la nage pour permettre de remonter à la résistance et une hypothèse de fermeture pour réduire le nombre d’inconnues. Deux fermetures sont proposées dans la littérature : puissance mécanique utile constante (Kolmogorov et Duplishcheva, 1992) ou force de propulsion moyenne constante (Takagi et al., 1999). Aucune des deux ne permet de comprendre à la fois l’évolution de la vitesse avec la charge additionnelle et la relation vitesse-fréquence de l’axe précédent. Nous avons proposé une nouvelle approche permettant d’avoir un modèle unique de nage : une impulsion constante. Cette hypothèse est très proche de celle de Takagi et al. (1999) mais permet de s’affranchir de la fréquence constante supposée par ces derniers. Il reste que lors de ces tests avec charge additionnelle, une hypothèse forte est faite sur le fait que le nageur n’est que faiblement perturbé dans son geste (Fig. 4).

Si les nageurs en compétition sont seuls dans un couloir et séparés par des lignes d’eau pour limiter les interactions, en eau libre, ils peuvent nager très proches les uns des autres. Nous avons exploré ces effets d’interaction ou drafting à l’aide d’un modèle réduit. Nous avons pu ainsi identifier les meilleures positions et les stratégies de dépassement dans des configurations à deux nageurs et dans des pelotons afin de pouvoir discuter des stratégies de course pour ces épreuves (Fig. 5).