Je leest:

Het loopkunstje van mens én robot

Het loopkunstje van mens én robot

Op bezoek bij de exoskeletbouwers van Project MARCH

Auteur: | 6 maart 2020
Project MARCH

Lopen is voor velen de normaalste zaak van de wereld, maar vraag het de betrokkenen bij Project MARCH en je realiseert je dat het allesbehalve normaal is. Met een exoskelet laten zij een verlamd persoon weer stappen maken. NEMO Kennislink wil weten hoe moeilijk lopen is en gaat op bezoek.

In de zogenoemde D:DREAM Hall van de Technische Universiteit Delft bouwen studenten onder andere exoskeletten, voertuigen en raketten.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Het is druk in de dromenhal van de Technische Universiteit Delft, officieel de D:DREAM Hall genoemd. Studenten in blauwe overalls staan met veiligheidsbrillen gebogen over freesmachines, zagen en boren. Grote koffers worden heen en weer gereden. De ruimte waarin ik nu sta wordt met een rolluik gescheiden van het freeslawaai in de grote hal, maar het luik vliegt steeds weer open. Mensen komen binnen, overleggen en wringen zich langs elkaar door het hok. Overal staan rekken, tafels en in de hoek draait een 3D-printer. Geen vierkante meter is onbenut. Orde is er in de vorm van gereedschap dat keurig gesorteerd aan de muur hangt.

In het midden van de ruimte hangen twee knalroze sneakers een halve meter boven de grond. Ze bungelen aan twee benen die bestaan uit printplaten, kabels, metalen gewrichten en talloze knipperende ledjes. Er staat een handjevol mensen omheen dat druk overlegt en steeds op een monitor kijkt waarop een grafiek te zien is. Een van hen heeft een grote rode knop vast. “De noodknop van ons exoskelet, waarmee we alle bewegingen stilleggen als er tijdens het lopen iets misgaat”, zegt Eline Gigengack, student Industrieel Ontwerpen en BioMedical Engineering en hoofdingenieur bij Project MARCH.

Sjaan Quirijns loopt met een exoskelet van Project MARCH.
Project MARCH

De mechanische benen vormen het exoskelet MARCH IVc dat een team van zo’n 25 studenten ontwikkelt. De mechanische benen hangen er nu nog slapjes bij, maar moeten begin mei de show stelen op de tweede zogenoemde Cybathlon in de buurt van het Zwitserse Zürich. Daar zal het exoskelet acte de présence geven met Sjaan Quirijns, de bestuurder van het exoskelet, die twintig jaar geleden een dwarslaesie opliep en haar benen niet kan bewegen. Quirijns moet met het exoskelet lopend een parcours overkomen met onder andere hellingen, een deur en een trap. Wat is er allemaal nodig om te kunnen lopen?

Waarom lopen van mens én robot lastig is

Lopen is je ene voet voor de andere zetten, dat lijkt makkelijk. Op weg naar de universiteitscampus in Delft heb ik het overal gezien. Op het treinstation krioelen de reizigers moeiteloos door elkaar heen, een zestiger rent puffend langs de gracht in het centrum en twee hoogbejaarde vrouwtjes stiefelen – gekromd – achter hun rollator. Ook robots hebben het trucje inmiddels onder de knie. Kijk bijvoorbeeld naar de tweebenige robots van het Amerikaanse bedrijf Boston Dynamics. Die rennen en springen schijnbaar moeiteloos door een lastig parcours.

De Atlas-robot van Boston Dynamics rent door een parcours.

Combineer mens en robot en het wordt veel moeilijker, weet Rutger van Beek, student Technische Wiskunde en data-analist van Project MARCH. De menselijke beweging is onvoorspelbaar, maar wij kunnen daarbij vertrouwen op een haarfijne coördinatie tussen benen en hersenen. Een robot is juist erg voorspelbaar en tot op de milliseconde programmeerbaar. Een exoskelet mét een mens heeft deze voordelen niet. “Van het exoskelet kunnen we precies weten wat ieder stukje van de robot bijdraagt aan de beweging, maar van de bestuurder weten we dat niet. Dat maakt het veel moeilijker om een beweging te programmeren en soepel uit te voeren”, zegt hij.

De droom: een zelfbalancerend skelet

Wat heb je nodig om (opnieuw) te lopen? Het begint met het exoskelet zelf, dat is gemaakt van aluminium ‘botten’ die zijn verbonden met gewrichten die krachten uitoefenen. MARCH IVc heeft twee krachtige motoren (140 Nm) per heup, een per knie en een per enkel. Dat is een versimpeling van de menselijke anatomie. “Wij gebruiken alleen maar rechte assen en geen kogelgewricht zoals de mens heeft. Wat betreft besturing is die aanpak makkelijker. Ik denk dat we dit soort extra bewegingsvrijheden alleen zouden toevoegen als ze strikt noodzakelijk zijn”, zegt Gigengack, die tijdens het interview steeds alle bewegingen voordoet als ze het erover heeft. “Ik heb wel respect gekregen voor onze eigen benen.”

Lopen draait om balans. Bij het ruim dertig kilo zware exoskelet is de bestuurder Quirijns hiervoor verantwoordelijk. Nadat ze via een bedieningspaneel op een van haar krukken de mechanische benen tot lopen heeft aangezet, ondersteunt ze het geheel met krukken. Dat vergt veel concentratie en kracht in het bovenlichaam, zegt Quirijns later aan de telefoon. “Trainen met een exoskelet is lichamelijk net zo inspannend als wanneer ik een lange work-out doe in een rolstoel, maar eigenlijk vind ik het mentaal nog zwaarder. Bij elke stap die ik zet moet ik nadenken en anticiperen op wat het pak gaat doen.”

Er bestaat al een exoskelet dat zelf balans houdt, maar dat weegt zestig kilogram. “Dat is niet erg praktisch als je het mij vraagt”, zegt Jip Buis, student Civiele Techniek en BioMedical Engineering en dit jaar teamleider van Project MARCH. Toch dromen de teamleden ook van een exoskelet dat zichzelf balanceert. Daarvoor worden voorzichtig stappen gezet, beginnend met het plaatsen van een bewegingssensor in het exoskelet en druksensoren in de zolen en krukken. “Hoe minder correcties er nodig zijn met de krukken, hoe beter het exoskelet gebalanceerd is”, vult Van Beek aan.

Sjaan Quirijns demonsteert de MARCH III, een eerdere versie van het exoskelet.

De informatie van de sensoren wordt verzameld in het ‘brein’ van het exoskelet, dat op de rug van Quirijns zit. Deze computer is ook verantwoordelijk voor de benen, die volledig voorgeprogrammeerde bewegingen uitvoeren. Bewegingen ‘uit de boekjes’ van de bewegingswetenschappen, zegt Van Beek. Maar het komt nauw, de ideale beweging voor een been is anders dan die van een been met exoskelet, daarom worden er aanpassingen gedaan. “Wij variëren de looppatronen om de beste te vinden”, zegt hij. “Ook zitten er pauzes in de beweging die Quirijns de tijd geven haar krukken te verplaatsen.”

Het exoskelet MARCH IVc in de werkplaats van Project MARCH.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

MARCH IVc kan nu lopen en traplopen. Dat zijn volledig andere programma’s wat betreft timing, kracht en grootte van bewegingen. “Voor de aankomende wedstrijd hebben we een trap met zes treden geprogrammeerd, waarin we rekening houden met de afstand en de hoogte van de treden”, zegt Gigengack. Dat verschilt behoorlijk van de ‘echte’ wereld, waarin benen niet zijn geprogrammeerd, maar waar iemand steeds reageert op de wereld om zich heen.

Volgens Quirijns – die tot twintig jaar geleden liep – voelt het voor haar als bestuurder alsof ze ‘wordt gelopen’. “De kunst is om mij zoveel mogelijk over te geven aan de beweging van het pak. Het is niet als echt lopen, maar het komt er met iedere toevoeging aan het exoskelet wel steeds iets meer in de buurt.”

Een proefritje met de MARCH IVc zit er niet in voor mij. Het exoskelet is op maat gemaakt voor Quirijns en in de aanwezigheid van een fysiotherapeut afgesteld op haar benen om te zien of alles past en er geen blessures ontstaan. Het is niet geschikt voor een andere persoon. Het team leert veel van de feedback van hun ‘piloot’, zegt Buis. “Wij kunnen van alles bedenken, maar de interactie met de bestuurder is uiteindelijk het belangrijkst. Quirijns is enorm gemotiveerd om ons te helpen, soms wil ze sneller gaan dan wij kunnen.”

Cybathlon

Een belangrijk moment voor Project MARCH is de Cybathlon, aankomende mei. Dat is een internationale wedstrijd waarbij mensen met een lichamelijke beperkingen opdrachten uitvoeren met behulp van bijvoorbeeld geavanceerde rolstoelen, protheses en exoskeletten. Het team gaat de strijd aan met bijna twintig andere groepen om zo snel mogelijk een parcours met hindernissen af te leggen. Deze maand begint het oefenen met Quirijns en het exoskelet, drie of vier keer per week. Ze vindt het moeilijk om hun kansen in te schatten. “Als alles goed gaat dan maken we het de concurrenten moeilijk, maar de technologie blijft onvoorspelbaar”, zegt Quirijns. “Vandaag werd de training helaas afgelast vanwege verschillende errors in het pak.”

Het parcours voor exoskeletten van de Cybathlon. Het begint links met opstaan uit een zitpositie, het ontwijken van objecten, over een ongelijke bodem lopen, traplopen, over een schuin stuk stappen en over een helling met een deur gaan.

De MARCH IVc is de vijfde versie van het exoskelet en in veel opzichten beter dan die eerste versie. Ieder jaar verbetert een (nieuwe) groep studenten het ontwerp. Vorige jaar werd zijwaarts lopen toegevoegd, dit jaar zitten de verbeteringen vooral onder de motorkap, bij de elektronica en software. De hoeveelheid kabels is sterk verminderd en er zijn nieuwe ‘verbindingen’ die beter aansluiten op de benen van Quirijns. Het lopen kost daarmee minder energie, zegt ze.

Uitgelicht door de redactie

Biologie
‘Herstellen van ’milde’ corona kost ook veel tijd’

Geowetenschappen
Zes vragen over de hitte in Siberië

Astronomie
Lekker lezen in de achtertuin

Waar eindigt die ontwikkeling? Lopen dwarslaesiepatiënten straks alsof ze niet meer verlamd zijn? Buis zegt dat experts daar verschillend over denken. “Exoskeletten die mensen weer zonder problemen door het huis laten lopen zijn nog erg ver weg”, zegt ze. “Exoskeletten waarmee je met voorgeprogrammeerde programma’s stappen zet zijn er misschien binnen een paar jaar. Maar de goedkeuring van dit soort apparaten duurt vaak lang. Anderen denken daarom dat exoskeletten vooral voor trainings- en revalidatiedoeleinden nuttig zullen zijn. Het (weer) lopen heeft veel potentiële gezondheidsvoordelen. Niet alleen botten worden sterker, maar het kan ook een positieve invloed hebben op de werking van blaas en darmen.”

Bij Project MARCH zijn ze er trots op dat ze naar eigen zeggen het enige team zijn dat helemaal door studenten wordt gerund. Andere partijen zouden meer leunen op professionele ondersteuning uit de academie en van bedrijven. Maar kun je dit niet veel beter overlaten aan bedrijven? Kunnen studenten de industrie ‘verslaan’? “Natuurlijk hebben bedrijven meer geld en mogelijkheden, maar toch doen wij met MARCH al dingen die veel commerciële producten niet kunnen”, zegt Buis. “In Duitsland wordt het exoskelet ReWalk verkocht, maar die loopt vooralsnog alleen rechtdoor.”

Of Quirijns zelf zo’n exoskelet thuis zou willen hebben? Ze is terughoudend. “Volgens mij is de technologie daar nog niet volwassen genoeg voor”, zegt ze. “Bij een wedstrijd staan er drie mensen klaar om me op te vangen. In een rolstoel ben ik volledig onafhankelijk, ik kan zélf overal heen. Wat dat betreft zijn dit twee verschillende werelden. Toch vind ik het geweldig om mee te werken aan dit exoskelet en zo een ‘alternatief’ voor lopen te ontwikkelen. Daar haal ik al veel geluk uit.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 06 maart 2020

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.