Biomechanica
Het exoskelet kan beter in evenwicht blijven dan wijzelf
Een mens kan snel ingrijpen als hij of zij dreigt te vallen, maar een robot kan die reactie ruimschoots voor zijn. En dat loont.
Als je je evenwicht verliest, duurt het ruim een tiende van een seconde voordat je enkels kunnen ingrijpen om de balans te herstellen. Bepaald geen eeuwigheid, maar wel een vertraging die heel wat mensen doet omvallen.
Een robot kan dat sneller. In ieder geval in theorie. En dat betekent dat, alweer in theorie, een exoskelet dat mensen helpt bewegingen te maken dus ook in staat moet zijn sneller te reageren dan het brein kan bevatten.
Heb je daar wat aan bij het lopen? Daarop bestaan verschillende visies. Een belangrijk bezwaar is dat zo’n supersnelle correctie tussen de gebeurtenis en de waarneming van die gebeurtenis in komt. Simpel gezegd: je dreigt naar links te vallen, het exoskelet corrigeert voor je het doorhebt, en daarna corrigeert het lichaam ook nog een keer voor een achterhaalde situatie. Het gevaar vervolgens naar rechts om te vallen is evident.
Maar dat is te testen. Onderzoeker Owen Beck en consorten deden dat. Hun experiment, deze week gepubliceerd in Science Robotics, laat zien hoe groot de potentiële meerwaarde is van exoskeletten, ook bij mensen die niets mankeren.
Wankelen op een bewegende vloer
De deelnemers, gezonde mensen zonder fysieke beperkingen, deden exoboots aan, schoenen die helpen de balans te corrigeren. Ze werden vervolgens op een bewegende vloer aan het wankelen gebracht. Dan waren er drie mogelijkheden. In de basisstand deden de schoenen niets anders dan in rust, een klein beetje druk op de enkel.
Maar de schoenen konden ook gaan corrigeren voor de bewegende vloer, en die hulp kwam in twee soorten: kunstmatig snel, dus voor het lichaam zelf de tijd had om in te grijpen, of ondersteunend aan de menselijke reactie, waarbij de schoen tegelijk met de gebruiker of iets later reageerde. De onderzoekers hielden intussen in de gaten of het proefkonijn de lichaamsbalans behield.
Daar zaten duidelijke verschillen in. De tragere, ondersteunende reactie leidde er niet toe dat mensen vaker hun balans behielden. De razendsnelle correctie nadrukkelijk wel. De voordelen van zo’n sneller-dan-je-het zelf-kunt-reactie zijn dus groter dan de nadelen.
Het toont maar weer eens aan wat de enorme mogelijkheden zijn van deze nieuwe technologie, zegt Herman van der Kooij, hoogleraar biomechatronica aan de Universiteit Twente. Het sluit aan bij eerdere experimenten die hij zelf deed met exoskeletten die de menselijke reactiesnelheid aanhielden. Wie een gedeeltelijke verlamming had, had daar zeker baat bij en hield vaker de balans dan zonder hulp. Maar, net zoals dit experiment ook weer laat zien, voor gezonde mensen gold dat niet. “Wat wij zagen, is dat gezonde mensen minder moeite hoefden te doen, maar dat ze uiteindelijk niet sneller hun balans herstelden. Die zouden dus wel baat hebben bij deze veel snellere correctie.”
Beter in balans dan benen
Dit onderzoek was op mensen zonder beperking, maar de uitkomsten hebben ook implicaties voor de zoektocht naar een exoskelet voor mensen met verlamming. Zoals Project March van de TU Delft, waar een team studenten jaarlijks een exoskelet ontwerpt voor een piloot met dwarslaesie. In zo’n geval is er geen beenspierfunctie die je zou kunnen volgen, maar indirect biedt het wel hoopvolle inzichten.
“Het bevestigt dat we op de goede weg zijn”, zegt Joy Brand van Project March. “Dit biedt het vooruitzicht dat een exoskelet beter balans kan houden dan wij zelf.”
Op basis van deze studie is het zeker niet uitgesloten dat een piloot met dwarslaesie in een exoskelet beter balans zou kunnen houden dan iemand met beenfunctie.
Een belangrijke kanttekening is wel dat de exoboots in het experiment valsspeelden. De programmeur die hun bliksemsnelle correctie instelde, wist vooraf welke bewegingen de vloer zou gaan maken. Schoenen die ook zo supersnel reageren als de beweging onverwachts is, bestaan nog niet.
“Het onderzoek laat de potentie zien van deze methode”, zegt Van der Kooij. “Maar je zult het wel nog moeten bouwen. Mechanisch is het geen probleem om zo snel te reageren. Maar om het algoritme te maken dat de beweging detecteert op basis van sensoren en vervolgens corrigeert, is nog niet niet zo makkelijk.”
Lees ook:
Studenten van de TU Delft helpen mensen met een dwarslaesie weer te lopen
“Met dit pak loop je zo een uur rond”, zegt Sjaan Quirijns, die al negentien jaar in een rolstoel zit. Met haar bionische skelet kan Quirijns opstaan, lopen en zelfs traplopen – ondanks een complete dwarslaesie.
Langer doorwerken in de bouw? Een exoskelet kan de oplossing zijn
Stukadoors halen hun pensioen vaak niet zonder lichamelijke klachten. Om dat te veranderen testen ze een exoskelet, een ingenieus harnas dat armen en schouders ondersteunt.
