Dwarsleasie-piloot loopt krukkenvrij en breingestuurd à la Naomi Campbell (video)

Vandaag zette Project March-piloot Koen van Zeeland zijn eerste stappen zonder krukken én zonder afstandbediening in het openbaar. Sinds hij een dwarslaesie kreeg, heeft Van Zeeland het studententeam van de TU Delft al 3 exoskeletten helpen ontwikkelen. Vorig jaar was er het wonder van het exoskelet dat hij bestuurde met zijn brein. En nu kan hij dus zonder krukken de straat op.

Tenminste, bijna. Het lukt al om te lopen zonder krukken, maar nog geen grote afstanden. Dat heeft ermee te maken dat de software de gemaakte bewegingen afzet tegen een model van de werkelijkheid. Echter, bij het meten van de bewegingen worden steeds kleine foutjes gemaakt. En die tellen op, zodat de werkelijkheid op een gegeven moment niet meer klopt met het model.

Expert hersenaansturing Thijn Hoekstra van het team: “We hebben een systeem nodig om die foutjes op te vangen. De software moet meer foutjes kunnen rechtzetten dan je maakt. Dat is een heel interessante opgave – en we zijn er nog net niet. Gelukkig kan Koen veel corrigeren met z’n lichaam.”

De potentie van Koen

Dat laatste is een belangrijke les die het team dit jaar heeft geleerd: de piloot kan behoorlijk veel bijdragen aan het systeem. Hoekstra: “We hebben de software teruggeschroefd, omdat we meer meters kunnen maken als de piloot meer werk doet. Koen heeft een relatief lage dwarslaesie. Dat betekent dat zijn benen buitenspel staan, maar dat hij nog veel controle heeft over zijn core. Door zijn torso te gebruiken, kan hij heel veel bijsturen. Meer dan wij kunnen inregelen met software. Dat is wel een heel leuke uitkomst dit jaar.”

Van Zeeland heeft nu alleen nog een reling nodig om zichzelf in evenwicht te houden. Dit betekent dat hij weer de volledige vrijheid heeft om zijn handen te gebruiken. Verder is de breincontrole doorontwikkeld. Het exoskelet kan nu bestuurd worden door enkel te denken aan lopen of stoppen met lopen. Samen zorgt dit dat de bestuurder zijn of haar handen volledig vrij heeft voor andere dingen zoals de hand vasthouden van zijn vriendin, koffie drinken of met een bal spelen met zijn hond.

Hersenwerk

Hoekstra legde ons de werking van de breinaansturing uit, op verzoek vanaf het begin, voor dummies: “Hersenen bestaan uit hersencellen die met elkaar praten in een netwerk. Ze hebben een structuur en zitten in gegroepeerd in gebieden, zoals bijvoorbeeld de prefrontale cortex – bekend van de Nix18-reclames. In de hersengebieden zitten groepen hersencellen (neuronen) die met elkaar communiceren met elektrische signalen. Dit zijn pulsjes op millivoltschaal. Maar als grote groepen samen worden geactiveerd, dan telt het signaal op en is het niet alleen groot genoeg om significant te zijn in de hersenen, maar ook nét sterk genoeg om door de schedel heen propageren. Dus tot het oppervlak van de schedel. En wat blijkt, als je gaat kijken naar hersengebieden die gaan over ‘lopen’, dan kunnen we die signalen oppikken, doorgeven aan het exoskelet, en zo omzetten in lopen.

“Dat is nog wel een moeilijk trucje, want tegen de tijd dat het signaal het hersenoppervlak bereikt, is het nog een miljoenste volt sterk: microvoltschaal. Dat betekent dat je heel gevoelige meetapparatuur moet hebben. En dan moet je je signaal terugvertalen naar de intentie van de gebruiker.

“Het ruwe signaal lijkt voor een ongeoefend oog vooral op ruis. Dus eerst moeten we de hoofd- en bijzaak uit elkaar halen. De grootste ruis is de wisselspanning van elektronische apparaten in de ruimte. Dus bijvoorbeeld een lamp die aanstaat. Die filteren we eruit. Dan weten we dat de nuttige signalen binnen een bepaalde frequentierange zitten. Dus die selecteren we. Dan halen we de ruis eruit die ontstaat door het bewegen van het kapje met de elektroden op het hoofd van de gebruiker. En dan heb je hopelijk de signalen over tijd, per elektrode, zonder ruis.

Verschillen per persoon en per dag

“Vervolgens is er een computermodel dat we trainen om naar de signalen te kijken en te interpreteren of de piloot wil lopen of niet. Interessant daarbij is dat dat model per persoon anders is. Een nieuw persoon moet een traject van een uurtje door, zodat de computer zich kan instellen op hoe die persoon denkt.

“Maar het denken verschilt ook nog van dag tot dag. En we hebben ook manieren om daar rekening mee te houden.”

Er zijn nog maar heel weinig mensen op de wereld die dit kunnen. Er is wel eens eerder een breingestuurd exoskelet gemaakt, maar dat was uitsluitend bedoeld voor oefeningen binnen de kliniek. Project March is de eerste organisatie die het niet ziet als researchtool, maar als iets wat in toekomst kan dienen om elk exoskelet aan te sturen.

Naomie Campbell

Voorts is dit het eerste gebalanceerde exoskelet dat het team heeft gemaakt. Het grootste verschil met voorheen is dat de voeten eerder breed uit elkaar stonden, zodat het hele gewicht op de kant van de kruk leunde. Bij het gebalanceerde exoskelet moet de piloot zich meer gedragen als een model op de catwalk: de voeten staan dichter bij elkaar en nemen het werk over per stap. Hoekstra: “We hebben teruggekeken naar hoe de mens loopt en hij gebruikt daarvoor een redelijk uniek trucje, door de hele tijd het gewicht te verplaatsen zodat dit steeds boven 1 van de voeten landt. Dus dat moet dan ook met het exoskelet. Let wel, het héle skelet, waartoe we hardware en software hebben moeten aanpassen.”

Hiertoe zijn in de eerste plaats de elektromotoren verbeterd, vooral in de heupen en enkels, waar de lineaire joints groter en sterker zijn gemaakt. “Het allervetste aan de hardware is echter de torquecontrol. Vroeger werden onze exoskeletten op positie aangestuurd; dus de voet werd van positie A naar positie B gebracht. Daarbij werd niet gedacht over kracht. Dus als de teen naar beneden wees en de grond raakte voordat hij op positie B was, probeerde het systeem door te duwen. Nu zijn we overgegaan van een positietaal naar een krachttaal: alle motoren hebben een sensor gekregen die gevoelig is voor hoeveel kracht ze leveren. Dus we kunnen voor het eerst aansturen op hoeveel kracht er geleverd wordt. Als diezelfde teen de grond nu raakt, zal de voet plat gaan staan zonder dat het exoskelet zich daar bewust van is.”

Software

Vervolgens moest de software hierop worden aangepast. “Hiervoor hebben we vele wegen naar Rome geprobeerd, van loopjes die vrij origineel waren tot compleet dynamisch. Dan zie je dat, hoe dan ook, de software kijkt naar het exoskelet en daarop reageert. Het neemt de info uit alle sensoren samen om iets te doen. Wij noemen dat de state estimator: een intern model van hoe het exoskelet in de wereld beweegt. Dus hij weet: ‘ik sta in een bepaalde positie, onder een bepaalde hoek en kan op basis daarvan beslissingen maken’.

De piloot heeft hierin een stabiliserende werking – en blijkt, zoals in het begin van het artikel reeds benoemd, aanzienlijk te kunnen meereageren vanuit zijn core.