Het loopkunstje van mens én robot

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.

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.

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.”

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.

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.”