Slim exoskelet maakt lopen 24 procent efficiënter door dat het zich razendsnel aanpast aan de bewegingen van de gebruiker

De mens is een efficiënte loper, maar met de hulp van robotica kunnen we onze stappen straks wellicht nog makkelijker zetten. Onderzoekers slaagden erin om proefpersonen gemiddeld zo’n 24 procent ‘zuiniger’ te laten lopen met een zogenoemd exoskelet dat zich razendsnel aanpast aan de gebruiker.

30 juni 2017

Al meer dan een eeuw proberen onderzoekers het lopen van mensen te verbeteren met robotica. Om mensen die slecht ter been zijn te helpen, of om de beweging simpelweg energiezuiniger te maken. Maar hoe verbeter je een systeem dat is geoptimaliseerd door miljoenen jaren evolutie? Pas de laatste jaren worden er daadwerkelijk successen geboekt met zogenoemde exoskeletten die rondom enkels, knieën en heupen een handje helpen.

Een exoskelet dat de beweging van de voet ondersteunt en daarmee de ‘energiekosten’ van het lopen bij de proefpersoon met gemiddeld 24 procent vermindert.
Kirby Witte/Katie Poggensee/Pieter Fiers/Patrick Franks/Steve Collins

Wetenschappers slagen er nu in om de energie van het lopen met gemiddeld zo’n 24 procent te verlagen, een flinke winst die groter is dan bij welk ander systeem tot nu toe. Extra indrukwekkend is het feit dat het exoskelet slechts de enkelbeweging van één been ondersteunt. De truc van dit systeem is dat het binnen een uur de beste strategie uitvogelt om de loopbeweging van een proefpersoon te ondersteunen. De resultaten werden deze maand in het wetenschappelijke tijdschrift Science gepubliceerd.

Extra achillespees

Het onderzoek komt uit de koker van de Amerikaanse Carnegie Mellon-universiteit in het Amerikaanse Pittsburg. Voor het onderzoek werden er elf proefpersonen in het lab op een loopband gezet. Aan een enkel kregen ze een exoskelet dat via een kabel aan de hiel van de voet trekt, als een soort extra achillespees. Juanjuan Zhang en collega’s richtten zich op slechts één enkel, naar verluidt om de resultaten beter te kunnen vergelijken met eerdere onderzoeken. De onderzoekers realiseerden zich dat het succes van een exoskelet afhangt van hoe goed het zich aanpast aan de beweging van de proefpersoon. Iedereen loopt anders, door verschillen in bijvoorbeeld de timing of de kracht van de afzet. Is een robotisch systeem daarop níet goed afgestemd dan gaat dat ten koste van de effectiviteit.

De geoptimaliseerde patronen van het exoskelet bij de stappen van de elf proefpersonen. Er zijn verschillen zichtbaar in de maximum kracht die bij elke stap wordt geleverd, maar ook in de timing van die maximumkracht en de snelheid van krachtsop- en afbouw. — De geoptimaliseerde patronen van het exoskelet bij de stappen van de elf proefpersonen. Er zijn verschillen zichtbaar in de maximum kracht die bij elke stap wordt geleverd, maar ook in de timing van die maximumkracht en de snelheid van krachtopbouw en -afbouw.
Zhang et al.

Om de effectiviteit van het exoskelet te meten kregen de proefpersonen een masker op dat de zuurstofopname van het lichaam meet. Zo’n systeem is gangbaar in dergelijk onderzoek, maar het nadeel is dat een goede meting tijd kost. Om de optimale instellingen van het exoskelet te vinden zou een groot aantal metingen nodig zijn, die stuk voor stuk ongeveer een minuut duren.

De wetenschappers gebruikten daarom een truc. In plaats van een instelling te kiezen en daarna te meten, pasten ze tíjdens het lopen de instellingen aan. Vervolgens keken ze naar de verandering van het energiegebruik over de loop van zo’n twee minuten. Het systeem schat zo in welke instellingen optimaal zijn. Na het bepalen van dit optimum kiest het systeem nieuwe tests waarbij andere instellingen worden gevarieerd, waarbij het opnieuw optimaliseert. Zo vindt het in ongeveer een uur de beste ondersteuning voor een proefpersoon.

Het testen van een exoskelet dat de energiekosten van het lopen vermindert. Terwijl de proefpersoon op een loopband loopt wordt zijn energieverbruik gemeten via zijn ademhaling. In de kast direct achter de loopband zit de aandrijving van het exoskelet.
Kirby Witte/Katie Poggensee/Pieter Fiers/Patrick Franks/Steve Collins

De resultaten zijn indrukwekkend als je ze afzet tegen andere exoskeletten. De proefpersonen behaalden energiewinsten van tussen de 14 en 38 procent, met een gemiddelde van 24 procent. Overigens kostte het dragen van een uitgeschakeld exoskelet zo’n tien procent meer energie dan wanneer een proefpersoon met gewone schoenen liep. Dát getal zit niet in de 24 procent die de wetenschappers noemen. Desalniettemin verslaat dit skelet de beste prestatie tot nu toe, waarbij een exoskelet op beide enkels en heupen zo’n 23 procent winst behaalde. Verder presteert de optimalisatiemethode ook beter dan wanneer de wetenschappers naar eigen inzicht de beste instellingen kozen, daarbij haalden ze een winst van maximaal 14 procent.

Extra uitdaging

Een mooie prestatie, vindt ook Cor Meijneke, onderzoeker van de Technische Universiteit Delft die zelf aan vergelijkbare exoskeletten werkt. Hij weet uit ervaring hoe moeilijk het is om een effectief exoskelet te maken. “Pas de laatste jaren slagen we er steeds beter in om de energiewinst bij bijvoorbeeld het lopen te vergroten”, zegt hij. “Dat heeft er vooral mee te maken dat systemen beter ‘luisteren’ naar de proefpersoon en zich daarop aanpassen. Dit onderzoek laat wederom zien dat dit effectief is.”

Een dunk in basketbal. — Kunnen we in de toekomst de basket nog wat hoger hangen? Als het gebruik van technische hulpmiddelen zoals exoskeletten geaccepteerd wordt springen sporters in de toekomst misschien wel een stuk hoger.
White & Blue Review via CC BY-ND 2.0

Het eerste waar je aan denkt bij toepassingen is natuurlijk het helpen van mensen die slecht ter been zijn, bijvoorbeeld ouderen of dwarslaesie-patiënten. Toch wordt dat nog een uitdaging, denkt Meijneke. “Momenteel worden deze systemen vooral getest bij mensen die goed ter been zijn, ook in dit onderzoek”, zegt hij. “Binnen deze groep is er al een bewegingsvariatie, maar juist bij de mensen die minder mobiel zijn verschillen de bewegingen nog sterker. Het is extra moeilijk om daarbij een effectief systeem te ontwikkelen.”

Bron