‘Body-swap’-robot maakt zichtbaar hoe het brein balansproblemen compenseert

Een ‘body-swap’-robot van de University of British Columbia (UBC) geeft onderzoekers nieuw inzicht in hoe het brein menselijke balans bewaakt. Uit experimenten met veranderde lichaamsfysica en kunstmatige vertragingen in zintuiglijke terugkoppeling blijkt dat het brein ruimtelijke en temporele informatie opvallend vergelijkbaar verwerkt.

De resultaten, gepubliceerd in Science Robotics, bieden aanknopingspunten voor hulpmiddelen en trainingsmethoden die het valrisico bij ouderen of mensen met neurologische aandoeningen kunnen beperken.

Hoe de robot het lichaam ‘herschrijft’

Balans vraagt voortdurende coördinatie van signalen uit ogen, evenwichtsorganen en spieren. Die informatie bereikt het brein nooit direct; een korte, natuurlijke vertraging hoort bij het systeem. Bij veroudering of sensorische aandoeningen kan die vertraging oplopen, waardoor het corrigeren van een eenvoudige wiebelbeweging moeilijker wordt.

UBC-onderzoekers ontwikkelden daarom een robotplatform dat de fysieke regels van het menselijk lichaam kan manipuleren. De opstelling bestaat uit een achterbord, krachtplaten en motoren die zwaartekracht, inertie en viscositeit (de dempende werking van spieren en gewrichten) in realtime kunnen aanpassen. Daarnaast kan de robot een vertraging van ongeveer 200 milliseconden toevoegen door het lichaam kort vast te houden voordat het meegaat met een beweging.

Volgens senior auteur Jean-Sébastien Blouin biedt dat een geheel nieuw onderzoeksinstrument: “Met de robot kunnen we de regels herschrijven waar het lichaam normaal gesproken op werkt,” aldus Blouin. “In een ogenblik beweeg je volgens een compleet andere set fysieke wetten.”

Drie experimenten, één opvallend patroon

Het onderzoek bestond uit drie opeenvolgende tests:

1. Effect van vertraging

Twintig deelnemers kregen een kunstmatige vertraging in hun terugkoppeling. Zij begonnen duidelijk sterker te zwalken en overschreden regelmatig de virtuele balanslimieten, vergelijkbaar met hoe oudere of neurologisch aangedane personen instabieler worden.

2. Veranderde lichaamsfysica

Daarna testte het team of dezelfde instabiliteit kon ontstaan zonder vertraging, maar met aangepaste mechanische eigenschappen. Dat bleek het geval. Lagere inertie of negatieve viscositeit veroorzaakten vrijwel dezelfde instabiliteit als een vertraging van 200 milliseconden. Deelnemers gaven bovendien aan dat beide situaties vergelijkbaar aanvoelden. Hiermee werd duidelijk dat het brein tijdsvertragingen en mechanische veranderingen deels als hetzelfde probleem behandelt.

3. Compensatie van vertraging

In een laatste testgroep met tien nieuwe deelnemers onderzocht het team of aangepaste lichaamsfysica de instabiliteit juist kan compenseren. Door de inertie te vergroten en positieve viscositeit toe te passen, stabiliseerde het evenwicht opnieuw. De deelnemers hadden aanzienlijk minder uitschieters en wisten in de meeste gevallen binnen de grenzen te blijven. “We waren verrast dat het verhogen van inertie en viscositeit de instabiliteit door vertraagde terugkoppeling deels kon compenseren,” zei eerste auteur Paul Belzner.

Toekomstige toepassingen

De ontdekking dat mechanische aanpassingen een vertraagde terugkoppeling kunnen compenseren, opent de deur naar nieuwe valpreventietechnologieën. Denk aan draagbare systemen die lichte weerstand toevoegen wanneer iemand begint te wankelen, of robotische trainingsplatforms voor patiënten die moeten leren omgaan met tragere sensorische signalen. Ook humanoïde robots, die moeite hebben met tweevoetige stabiliteit, kunnen profiteren van deze inzichten.

De UBC-robot krijgt binnenkort een plek in het nieuwe Gateway-gebouw, waar onderzoekers uit de kinesiology, biomedical engineering en gerontologie samen werken aan technieken die bijdragen aan veiliger en zelfstandiger ouder worden.