28/03/2014
Door Liam van Koert
Dr. Hugh Herr leidt het Biomechatronics Lab van het beroemde Massachusetts Institute of Technology. Hoewel de producten die er nu vandaan komen nu vooral nog mechatronische hoogstandjes zijn, staat dit op het punt te veranderen. De biologie gaat zich namelijk met het vakgebied bemoeien, waardoor er een aantal verbluffende toepassingen in het verschiet ligt.
Het is weer januari en dus tijd voor SolidWorks World. En hoewel de reis naar deze zeer grote gebruikersconferentie – dit jaar liepen er meer dan 5600 deelnemers in San Diego rond – voor de Vision & Robotics lezer geen directe link lijkt te hebben, is er toch altijd weer wat bijzonders te halen. Dit jaar was geen uitzondering, al bekroop me wel een gevoel van déjà vu. Misschien lag het aan de films die ik tijdens de veel te lange heenreis zag. Eerst was er Elysium waarin Matt Damon een met zijn hersenpan verbonden exoskelet kreeg aangeschroefd. Het maakte hem sterk genoeg om robots te lijf te gaan. Nummer twee, Pacific Rim deed er met het Jaeger project een flink bionisch schepje bovenop. Hier waren het twee mensen die gezamenlijk een huizenhoog robotpak aantrokken.
Misschien was het ook het feit dat Vision & Robotics het jaar zou aftrappen met een mechatronisch nummer dat de sensoren wat meer op scherp stelde. Hoe dan ook, dit jaar werden we op SolidWorks World op onze wenken bedient.
Jaw drop momentje
Hugh Herr krijgt de zaal op het puntje van zijn stoel. Naast een duidelijk slimme man – hij heeft een natuurkundig diploma, een werktuigbouwkundige masters van MIT en een biofysische PhD van Harvard op zak, kan hij het goed vertellen. De rede? Hugh Herr is erg betrokken bij zijn onderzoek. Terwijl hij onverschrokken soepel het grote podium op loopt, zichzelf voorstelt, om even later in een grote fauteuil te worden geïnterviewd, rolt hij beide broekspijpen op. Niet één, maar twee bionische benen hadden hem het podium op gedragen. Ik bleek niet de enige die nu een klein ‘jaw drop’ momentje ervoer. Zijn tred had namelijk volkomen natuurlijk geleken. Hoe hij aan deze twee high-tech benen kwam? Hij begint zijn verhaal van in de jaren tachtig. Als zeventienjarige klimmer wordt hij overvallen door een sneeuwstorm. Hoewel hij na enkele dagen wordt gered, verliest hij door bevriezing beide benen. In het ziekenhuis neemt hij zich voor ooit weer te klimmen. Hij begin met de ontwikkeling van eigen protheses, omdat hetgeen was destijds verkrijgbaar is niet veel meer is dan het houten been dat vooral in de piratenfilms furore maakte. “Het is raar hoe lang de tijd op het gebied van protheses heeft stil gestaan”, merkt Herr op. “Helemaal wanneer je alles tot onder de knie als een ‘blank canvas’ kan beschouwen. Toen ik mijn eigen protheses ging maken bedacht ik varianten die meer grip op de rotsen hebben en weer andere die veel langer zijn dan dat gewone benen zijn. Net als iemand die voor een bepaalde activiteit het juiste schoeisel aantrekt, trek ik de bijpassende prothesen aan. Om precies te zijn heb ik acht verschillende paren in de kast staan.” Tegenwoordig klimt Hugh Herr sneller en hoger dan ooit.
De mens maakt al duizenden jaren schoenen. Ongelofelijk dat we er nog steeds blaren in krijgen
BoiM
Met zijn ervaring en doorzettingsvermogen groeide ook de faam van zijn bouwsels. De BoiM is zijn laatste pièce de résistance. “Met de eerste BioM hebben we geprobeerd de menselijke voet en bijbehorende onderbeen zo natuurgetrouw na te bootsen. Het logische gevolg is namelijk dat de leercurve voor de gebruiker zeer veel korter – in sommige gevallen een kwestie van minuten - is en hij er vanaf het begin al veel natuurlijker mee omgaat. Het gewicht is namelijk hetzelfde als zijn oude been en ook de gewrichten reageren op een manier die hij gewend is.”
Het feit dat het menselijk been, dat voor een belangrijk deel uit ‘zwaar’ water bestaat heeft zo zijn voordelen. In plaats van een passief systeem konden Herr en zijn team aan de slag met een actief systeem, waarbij kleine accu’s motoren aandrijven die de werking achillespees en het enkelgewricht nauwkeurig nabootsen. “In eerste instantie hebben we heel veel modellen van menselijke bewegingen gemaakt. Hierbij hebben we niet alleen gekeken naar de kinematica, maar bijvoorbeeld ook naar hoe, en de mate waarin spieren op welk moment samentrekken. Uiteindelijk hebben we dit vertaald naar een actief systeem. Door volledig automatisch geregelde veersystemen in zowel de achillespees als het enkelgewricht op te nemen, kunnen we de hoeveelheid energie en de snelheid waarmee deze in de gewrichten vrijkomt bepalen. Niet alleen beschikt de gebruiker hierdoor dezelfde propulsie-energie als het geval is met zijn echte been – met een standaard koolstof prothese verliest hij ten minste 50 procent van deze energie waardoor hij sneller moe is en niet zo snel kan lopen- ook weet de BioM wanneer de parameters moeten worden aangepast wanneer de drager bijvoorbeeld besluit te gaan rennen.”
BioM 2.0
Hoewel het nog een jaartje of twee zal duren voor hij op de markt is, is er al een BioM met een heuse knie. Dat er de knie geen gemakkelijk gewricht is om na te bouwen zal niemand verbazen. “De knieën die we nu voor de BioM hebben gemaakt beschikken over twaalf sensoren voor het meten van krachten, posities, snelheden en versnellingen. Ze zijn allemaal nodig voor een natuurgetrouw functioneren. Maar een prothese met een knie biedt ook een extra voordeel. Het gewricht vangt veel ‘negatieve energie’ op en is dus een ideale energieopwekker. In ons huidige ontwerp wordt deze teruggewonnen energie benut voor het aandrijven van de enkel.” Herr geeft aan dat de huidige op de markt zijnde BioM een niet bescheiden 10.000 stappen meegaat, uiteraard afhankelijk van de tred van de gebruiker. Zelf zorgt hij dat hij altijd wat extra batterijen op zak heeft als hij besluit een flinke wandeling te maken of een stukje te rennen.
Een tweede technologie binnen handbereik is het gebruik maken van additive manufacturing voor het precies op maat maken van de ‘socket’ van de prothese. “Een goede pasvorm is natuurlijk allesbepalend voor een comfortabele, goed functionerende prothese. Gelukkig zitten 3D productiemethoden momenteel in een stroom versnelling en dat is maar goed ook. Want ergens blijft het raar. De mens maakt al duizenden jaren schoenen en we krijgen er nog steeds blaren in.”
BioM kwadraat
Ondanks het feit dat de mechatronische ledematen van Herr best futuristisch aandoen, staat het vakgebied volgens hem nog in de kinderschoenen. Want om ‘bio’ in biomechatronics zijn volle lading te doen dekken, moet het meer omvatten dan het wiskundig beschrijven van de natuur om dit vervolgens in een regelsysteem na te kunnen bootsen. Nee, de biomechatronica van de toekomst integreert slimme synthetische systemen met moeder natuur. In het geval van Herr’s laboratorium bij MIT wordt naarstig gezocht naar methoden om de ledenmaten met het menselijk zenuwstelsel te verbinden. De eerste voorzichtige successen zijn hierbij al geboekt. “Wereldwijd wordt er door verschillende universiteiten en onderzoeksinstellingen wordt gewerkt aan methoden om biologische met halfgeleidersystemen te koppelen. Bij MIT hebben we bijvoorbeeld microkanalen ontwikkeld die met de zenuwcellen van een geamputeerd lichaamsdeel kunnen worden verbonden. Dit opent de deur naar door het zenuwgetriggerde prothesen. Een volgende stap is een koppeling met tweerichtingsverkeer. Dankzij een bionische huid zal het bijvoorbeeld mogelijk worden om de prothese van titanium gevoel te geven. Tot slot vindt er momenteel zeer baanbrekend en veelbelovend onderzoekplaats met licht en hersencellen. Zo zijn wetenschappers er onlangs in geslaagd om met licht individuele hersencellen ‘aan’ of ‘uit’ te zetten. Dit biedt niet alleen legio mogelijkheden in combinatie met bionische prothesen, maar ook voor tal van mentale therapieën waarvoor nu nog medicijnen moeten worden geslikt.” Een laatste punt waar Herr zijn tanden wel in zou willen zetten is in zelfhelende technologie. Want hoewel hij er van overtuigd is dat de bionische ledematen van de toekomst op vele fronten beter zullen zijn dan hun biologische tegenhanger en hij de eerste zenuwgekoppelde systemen over een jaartje of tien verwacht, zal het veel langer duren voordat de biomechatronische systemen een heel mensen leven meegaan.