Draagbare robots

Robots en mensen kunnen een geweldig team vormen’. Die woorden van de Gentse bewegingswetenschapper Philippe Malcolm gaan door mijn hoofd wanneer ik met zijn enkelrobot op een loopband wandel. Hij heeft gelijk. De robot, WALL-X genaamd, zit strak rond mijn onderbenen en volgt de natuurlijke bewegingen van de pezen, spieren en ligamenten in mijn kuiten. Als de robot wordt geactiveerd, versnelt mijn tred. Ik voel me oppermachtig, alsof niets of niemand me kan tegenhouden om zo meteen even een marathonnetje uit te lopen.

Stel je bij deze ‘robot’, ondanks de vele kabeltjes en buisjes, overigens geen futuristisch gedoe voor. De namaakkuitspier bestaat uit een fietsband in een kabelhuls. Als een toestel perslucht in die fietsband blaast, verkort de kabelhuls en trekt de namaakspier samen. De beweging van de kunstspier oogt identiek aan hoe ‘echte’ spieren samentrekken. En dat doet ze heel natuurlijk. In tegenstelling tot wat ik had gevreesd, dwingen de robotlaarzen me helemaal niet om ook als een robot te bewegen. Het exoskelet duwt mijn voet krachtig af, waardoor ook mijn knieën hoger en verder bewegen, maar storen doet het na een korte aanpassingsperiode niet meer. De ondersteuning loopt precies gelijk met het tempo waarop ik wil lopen. Een extra setje spieren dus, een upgrade van de mijne.

Superarbeiders

Enkelrobots zoals deze beloven, net als exoskeletten of exopakken die je op het volledige lichaam draagt, de prestaties van reddingswerkers, militairen of avonturiers te verhogen, het zware werk van arbeiders te verlichten, of mensen met verzwakte of verlamde spieren hun mobiliteit terug te geven. Die droom is veel ouder dan vandaag, ouder dan de voorbije eeuw zelfs. Al in 1890 nam de Russische uitvinder Nicholas Yagn van de universiteit van Sint-Petersburg een patent op ‘een apparaat dat wandelen, hardlopen en springen makkelijker maakt’. Yagns primitieve exoskelet had geen motor, maar haalde de ondersteuning uit lange, elastische veren die tussen de schouders en enkels van de drager werden gespannen en diens bewegingen energieker maakten.

Zeventig jaar later, in de jaren 1960, pakte het Amerikaanse General Electric uit met het eerste gemotoriseerde exoskelet. De Amerikanen geloofden dat hun ‘Hardiman’ een doordeweekse arbeider in staat zou stellen om een last tot 680 kilogram te heffen alsof het een kopje koffie was. Het resultaat viel dik tegen. De kruising tussen een heftruck en een robot, met binnenin plaats voor een nietig mensje, kon slechts de helft van dat streefdoel aan en woog meer dan het dubbele. Bovendien droeg tot dusver nog geen enkele arbeider Hardiman, omdat het toestel ongecontroleerde, krachtige stuiptrekkingen bleef maken en daardoor nooit veilig genoeg werd bevonden.

Na Hardiman werd het een tijdje stil rond exoskeletten, maar de voorbije jaren maakten ze een comeback. En niet alleen in het lab. De Duitse autofabrikant Audi test momenteel enkele prototypes uit van zijn ‘Chairless Chair’, letterlijk ‘stoelloze stoel’, die arbeiders toelaat om tijdens hun werk aan de assemblagelijn te zitten zonder een stoel. Tegelijkertijd verbetert het exoskelet de lichaamshouding en vermindert het de belasting op de gewrichten.

Het ‘Hybrid Assistive Limb’ (HAL) van het Japanse Cyberdyne heeft een vergelijkbare ondersteunende functie voor verpleegsters die zware patiënten moeten verplaatsen. En LOPES II van de Universiteit Twente verlicht in enkele Nederlandse revalidatiecentra het werk van fysiotherapeuten. De revalidatierobot helpt patiënten met neurologische aandoeningen om opnieuw te leren lopen, waardoor de fysiotherapeuten die ondersteuning niet meer handmatig hoeven te doen, een fysiek zeer belastende taak.

Natuurlijk

Stuk voor stuk doorbraken die aantonen dat de exoskeletten er nu echt aankomen. Waarom het zo lang heeft geduurd? ‘Als je naar Hardiman kijkt, weet je waarom’, zegt Philippe Malcolm. ‘Die is gigantisch, moeilijk te controleren en beweegt log en houterig. Er was heel wat technologische vooruitgang nodig op het gebied van miniaturisatie, batterijtechnologie en lichtgewicht materialen. Bovendien verlegden ontwikkelaars van exoskeletten pas vorig decennium de focus van louter technologie naar de interactie tussen mens en machine.

Naast technieken uit de ingenieurswetenschappen keken ze ook naar inspanningsfysiologie en bewegingsanalyse. Die nieuwe aanpak was nodig om exoskeletten ‘natuurlijker’ te maken. Ons eigen bewegingsstelsel is zo efficiënt dat je het niet zomaar kan verbeteren. Daarom groeide het besef dat je geen exoskelet kan bouwen zonder eerst grondig de interactie tussen de robot en de mens te bestuderen, en dat het altijd de robot moet zijn die zich schikt naar de natuurlijke bewegingen van de mens, nooit omgekeerd.’

De Gentse enkelrobot werd in 2013 dankzij die aanpak een wereldwijde doorbraak. ‘De timing waarop de kunstspier tijdens het lopen in actie schiet, is cruciaal. De samentrekking van de kunstspier moet immers in harmonie lopen met het biologische wandelpatroon om niet hinderlijk te zijn. Die ideale timing vinden bleek lange tijd een probleem. Ontwikkelaars programmeerden de timing in hun exoskelet op basis van referentiegegevens over de spierwerking tijdens normaal wandelen. Wij vertrokken vanuit de praktijk. We lieten vrijwilligers met de enkelrobot wandelen op een loopband terwijl we hun motoriek en zuurstofverbruik registreerden. Door vervolgens de timing en hoeveelheid van ondersteuning door de enkelrobot systematisch te variëren, konden we de minst hinderlijke of meest ‘natuurlijke’ werking van de enkelrobot vinden.

We ontdekten bijvoorbeeld dat de robot beter iets later dan het theoretische ideale punt begint te ondersteunen om de drager niet te hinderen.’ Het exoskelet verlaagde zo als eerste wereldwijd de metabole kost van lopen. Met andere woorden: lopen met het exoskelet kostte voor het eerst minder moeite dan lopen zonder. ‘De energiewinst voor dit model bedraagt zes procent ten opzichte van normaal lopen. Vrij vertaald wil dat zeggen dat mensen met het exoskelet zes procent verder, 0,2 kilometer per uur sneller of met twintig procent meer bagage op hun rug kunnen wandelen met dezelfde hoeveelheid energie uit voedsel dan met normale schoenen, wat bijvoorbeeld voor militairen of avonturiers die grote afstanden te voet afleggen, vaak met een zware last op de rug, een kleine maar belangrijke hulp zou betekenen.’

De energiewinst kan volgens Malcolm nog een pak hoger. ‘Eigenlijk is de winst nu al zestien procent. Maar door het gewicht van de enkelrobot en de hinder die het dragen ervan veroorzaakt, verbruikt de drager tien procent extra energie, wat een nettowinst van 6 procent oplevert. Als we de robot lichter maken, kunnen we dat verlies minimaliseren. Daarna valt ook nog winst in de knieën en heup te boeken. Verschillende onderzoeksgroepen mikken op een totale nettowinst van 25 procent.’

Wanneer de straat op?

Het Gentse enkelskelet is vastgemaakt aan een persluchttoestel. Verder dan de loopband kom je er dus niet mee. De twee loskoppelen is volgens Malcolm niet het eerste doel van het onderzoek aan de Universiteit Gent. ‘Er valt nog heel veel te leren over de interactie tussen robot en gebruiker. We weten nu hoe gezonde mensen ermee bewegen. Maar hoe zit dat met minder mobiele mensen?’

Om een antwoord op die vraag te vinden testen biomechanicus Dirk De Clerck en doctoraalstudent Samuel Galle, de collega’s van Malcolm aan de Universiteit Gent, samen met onderzoekers van de vakgroep revalidatiewetenschappen momenteel uit hoe zeventigjarigen met het skelet wandelen. ‘Exoskeletten zouden ouderen langer mobiel kunnen houden door ze het gevoel te geven dat ze opnieuw de benen van een twintigjarige hebben’, verduidelijkt hij het ambitieuze doel.

‘Vergelijk het met de populaire elektrische fietsen waarmee ouderen langer hun zondagsritjes volhouden. Maar om dat ook voor looprobots te realiseren moeten ontwikkelaars heel goed weten hoe senioren met die robots omgaan, welke ondersteuning ze aankunnen en hoe die moet worden toegediend. Het bewegingsstelsel van een zeventigjarige is immers niet te vergelijken met dat van een twintiger. Door ouderen op de loopband met ons exoskelet te laten wandelen, verzamelen we die informatie. De eerste resultaten zijn trouwens positief. De senioren zijn heel enthousiast over de robotbenen.’

De kennis van de interactie tussen mens en machine wordt nu al gebruikt in exoskeletten die straks wel de straat op moeten. Een jaar na de Gentse doorbraak, in 2014, demonstreerde het Massachusetts Institute of Technology (MIT, VS) het eerste draagbare exoskelet dat lopen makkelijker maakt, met aansturing gebaseerd op richtlijnen uit het Gentse onderzoek. Ook de TU Delft en de Universiteit van Twente werken aan zo’n autonoom exoskelet. Hun Symbitron-project moet patiënten die lijden aan hersenverlamming of MS, en daardoor spierstoornissen hebben, op de been helpen.

Philippe Malcolm zelf ging in op een vraag van het prestigieuze Wyss Institute aan Harvard University om aan te sluiten bij de onderzoeksgroep die een gemotoriseerd exopak ontwikkelt dat soldaten onder hun kledij dragen. Het Amerikaanse defensie-instituut DARPA investeerde maar liefst 2,9 miljoen dollar in dat project. Het exoskelet ziet er anders uit dan alle voorgaande. Geen rigide staven of schelpen meer, maar een soepel pak dat onder de kledij verstopt zit.

‘Het skelet is vervangen door innovatief textiel met daarin zogenoemde bowdenkabels verwerkt, die we beter kennen als fietsremkabels. De motor en batterij zitten vast aan een rugzak, en de aandrijving wordt via de flexibele kabels langs het lichaam naar de gewrichten gebracht. Dat heeft als extra voordeel dat we de aandrijving niet meer ter hoogte van de enkel moeten hangen, wat hinderlijk is vanwege het gewicht.’

Lichaamsenergie recyclen

Hoewel de accu’s voor het DARPA-exopak netjes in een rugzak zitten, blijven ze een hoofdbreker voor de ontwikkelaars. Ze vormen immers altijd een extra gewicht, en ze kunnen op raken. ‘De huidige generatie batterijen is al erg efficiënt en draagbaar’, zegt Philippe. ‘Met het autonome exoskelet van MIT kan je bijvoorbeeld tien kilometer lopen voor de accu leeg is. Dat volstaat voor alledaags gebruik, maar het zou nog beter zijn als robotpakken ook zonder externe voeding aan energie komen.’

Die vereiste energie kan gerecycled worden uit rembewegingen in ons lichaam. ‘Onze spieren stuwen niet alleen, even vaak remmen ze bewegingen af. Zo wordt bijvoorbeeld op het einde van de zwaaifase van de wandelbeweging het strekken van de knie vertraagd om te voorkomen dat we onze knieën zouden overstrekken. Die remenergie kan gerecycled worden volgens een soortgelijk principe als de regeneratie van het remvermogen in hybride auto’s. Je kan die energie opslaan in een accu en later gebruiken om spieren te ondersteunen, maar het is veel efficiënter om de energie direct te transporteren van een gewricht dat een afremmende beweging maakt naar een gewricht dat voor aandrijving zorgt.’

Onderzoekers van North Carolina State University en Carnegie Mellon University beschreven begin april in het vakblad Nature een enkelskelet dat volgens dat principe werkt. Het toestel werkt parallel met de kuitspier, maar doet dat puur op elasticiteit, dus zonder motor of accu. Een veer begint uit te rekken als de voorvoet de grond raakt, om vervolgens in de afduwfase van de voet die opgeslagen energie vrij te geven. Op die manier ontlast het exoskelet de kuitspieren, wat volgens de onderzoekers een metabole energiewinst van zeven procent oplevert. De publicatie is een nieuwe stap voorwaarts, want het enkelskelet kan eindeloos ondersteuning bieden zonder de nood om opgeladen te worden.

Nog een extra voordeel: de eenvoud van het exoskelet betekent dat het goedkoop geproduceerd kan worden. Want betaalbaarheid is misschien wel het grootste obstakel dat ontwikkelaars nog moeten overwinnen voor hun exoskeletten in het straatbeeld verschijnen. REX, een Nieuw-Zeelandse mobiele assistentierobot die sinds 2011 op de markt is, kost bijvoorbeeld meer dan honderdduizend euro. ‘Het materiaal waaruit exoskeletten bestaan, moet tegelijk krachtig en licht zijn. Dat maakt het bijna per definitie duur’, zegt roboticus Bram Vanderborght van de Vrije Universiteit Brussel. Hij is betrokken bij het Europese MIRAD-project, dat een mobiele assistentierobot voor ouderen op de markt wil brengen. ‘Verschillende onderzoeksgroepen ontwikkelen daarom meer minimalistische, en dus meer betaalbare, exoskeletten. Een andere optie is een exoskelet dat enkel de noodzakelijke basisbewegingen ondersteunt, zoals opstaan, gaan zitten, lopen en een drempel op- en afstappen.’

To walk again

Helemaal aan de andere kant van het spectrum staan de exoskeletten die volledige ondersteuning bieden aan mensen met een verlamming. In 2012 haalde Claire Lomas het wereldnieuws. De atlete raakte na een auto-ongeval volledig verlamd maar kon dankzij het exoskelet Rewalk van het Israëlische Argo Medical Technologies toch de London Marathon uitlopen, weliswaar in zeventien dagen. Ook de Vlaamse organisatie To Walk Again beschikt over een exoskelet – Ekso – dat mensen zoals triatleet Marc Herremans, die in 2002 verlamd raakte, helpt om opnieuw recht te staan en te lopen. ‘Een vervanger van de rolstoel zijn deze exoskeletten nog niet’, zegt Bram Vanderborght.

‘Daarvoor zijn de bewegingen nog te traag en houterig. Voor mensen met een verlamming moet een exoskelet niet alleen beweging, maar ook stabiliteit voorzien. Daardoor is intuïtief lopen een pak moeilijker. Als we lopen zijn we eigenlijk voortdurend aan het vallen, in onevenwicht dus, maar door de beweging in gang te houden, vallen we niet om. Die beweging simuleren in een exoskelet is uiterst moeilijk.’

Ondertussen bereiden Vanderborght en zijn team van de VUB zich voor op de Cybathlon, de eerste Olympische Spelen voor bionische atleten die in oktober 2016 in Zwitserland plaatsvinden. Op het programma staan onder andere competities voor dragers van prothesen en exoskeletten. Het doel is het onderzoek naar deze technologieën een boost te geven. De meest in het oog springende competitie is misschien wel die voor brein-computerinterfaces, waarbij deelnemers avatars in een computerspel besturen met hun brein. ‘Op termijn wordt het misschien mogelijk om exoskeletten of prothesen rechtstreeks op de hersenen van mensen met een verlamming aan te sluiten waardoor ze hun ‘nieuwe benen’ intuïtief en dus op een natuurlijke manier kunnen besturen. Zo ver zijn we nog lang niet maar het lijkt me wel een ambitieus streefdoel.’