22/11/2021
Door Ad Spijkers
Echografiemetingen van de spierdynamiek leiden tot een op maat gemaakt specifiek hulpmiddel voor activiteiten.
Mensen lopen zelden met constante snelheid en helling. We hebben andere snelheden wanneer we ons naar de volgende afspraak haasten, een zebrapadsignaal oversteken of een ontspannen wandeling in het park maken. Hellingen veranderen ook voortdurend, of we nu gaan wandelen of een helling opgaan naar een gebouw. Behalve door omgevingsvariabelen wordt onze manier van lopen beïnvloed door geslacht, lengte, leeftijd en spierkracht, en soms door neurale of spieraandoeningen zoals een beroerte of de ziekte van Parkinson.
Deze variëteit aan loopbewegingen is een grote uitdaging bij het ontwerpen van draagbare robotica om het lopen in reële omstandigheden te ondersteunen of te verbeteren. Tot op heden vereist het aanpassen van een draagbare robothulp uren aan handmatige of automatische afstemming. Dit is een vervelende taak voor gezonde personen en vaak onmogelijk voor ouderen of klinische patiënten.
Exosuit
Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) in Boston (Massachusetts) hebben een nieuwe benadering ontwikkeld. Ze bouwen een exosuit voor robot-assistentie die kan in seconden kan worden aangepast aan een verscheidenheid van looptaken in de echte wereld. Het bio-geïnspireerde systeem maakt gebruik van ultrasone metingen van spierdynamiek om een persoonlijk en voor de activiteit specifiek hulpprofiel te ontwikkelen voor gebruikers van het exosuit.
Eerdere bio-geïnspireerde pogingen om geïndividualiseerde hulpprofielen voor robot-exosuits te ontwikkelen, waren gericht op de dynamische bewegingen van de ledematen van de drager. Ze gebruikten echografie om onder de huid te kijken en direct te meten wat de spieren van de gebruiker doen tijdens verschillende looptaken. Spieren en pezen zijn meegaand: er is niet noodzakelijk een directe relatie tussen de beweging van de ledematen en die van de onderliggende spieren die dat aandrijven.
Metingen
Het onderzoeksteam bond een draagbaar echografiesysteem vast aan de kuiten van deelnemers en beeldden hun spieren af terwijl ze een reeks looptaken uitvoerden. Op basis van deze beelden schatten de onderzoekers de ondersteunende kracht die parallel met de kuitspieren moet worden toegepast om het extra werk te compenseren dat ze moeten uitvoeren tijdens de afzetfase van de loopcyclus. Het nieuwe systeem heeft slechts een paar seconden lopen nodig; zelfs één stap kan voldoende zijn, om het spierprofiel vast te leggen.
Voor elk van de door ultrageluid gegenereerde profielen maten de onderzoekers vervolgens hoeveel metabolische energie de persoon gebruikte tijdens het lopen met en zonder exosuit. Ze ontdekten dat de op spieren gebaseerde hulp van het exosuit de metabolische energie van het lopen over een reeks loopsnelheden en hellingen aanzienlijk verminderde. Het exosuit paste ook een lagere hulpkracht toe om hetzelfde of verbeterde metabolische energievoordeel te bereiken dan eerder gepubliceerde onderzoeken.
Door de spier rechtstreeks te meten, kunnen zorgmedewerkers intuïtiever werken met de persoon die het exosuit gebruikt. Met deze aanpak overweldigt het exosuit de drager niet, het werkt samen met hem of haar. Tijdens test in echte situaties bleek het exosuit zich snel te kunnen aanpassen aan veranderingen in loopsnelheid en hellingshoek. In het vervolg wil het onderzoeksteam het systeem testen door constante, real-time aanpassingen door te voeren.
Foto: Biodesign Lab, Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Science, Harvard University