Ingenieurs in Singapore en de VS hebben een exoskelet gebouwd dat de draaiing van de voet om de enkel ondersteunt. Dankzij dit apparaatje kost wandelen of rennen de drager veel minder energie; erg nuttig voor mensen met uiteenlopende aandoeningen die hun uithoudingsvermogen doen afnemen. Bijzonder is dat het exoskelet leert van de natuurlijke beweging van de gebruiker, en daar de timing en de grootte van de ondersteunende kracht op afstemt.

Als je gezond bent, denk je er waarschijnlijk helemaal niet bij na hoe je loopbeweging in elkaar zit. Zonder moeite wandel je over straat en ren je over de sportvelden. Voor mensen met een lichamelijke beperking ligt dat heel anders; lopen is moeilijk, pijnlijk en kost veel energie. Voor hen kan een exoskelet uitkomst bieden.

Een exoskelet is een constructie die aan de buitenkant van het lichaam wordt bevestigd en de drager helpt met bewegen. Door dit steuntje in de rug kost lopen voortaan veel minder energie, zodat de drager van het exoskelet het langer vol kan houden en dus meer bewegingsvrijheid heeft.
 

Enkelgewricht

De meeste exoskeletten richten zich op het gehele been; onderzoekers van Carnegie Mellon University in de VS en Nanyang Technological University in Singapore focussen nu op het enkelgewricht. Dat speelt bij lopen een cruciale rol, want bij de enkel draagt het been zijn kracht over aan de grond. In vaktijdschrift Science beschrijven de onderzoekers de details van hun systeem. Centraal hierbij staat een constructie die aan het onderbeen vastzit en met een motor via een kabel de hiel omhoog trekt tijdens een stap (zie foto rechts). Het exoskelet werd getest met elf gezonde proefpersonen die wandelden op een tredmolen.
 

Timing

Het nieuwe van dit onderzoek is niet de mechanische constructie; die was al eerder bedacht. Nieuw is dat de onderzoekers heel diep ingaan op de timing van de enkelondersteuning. Dat is zinvol, want verschillende mensen hebben verschillende manieren van lopen. Het moment waarop ze tijdens een stap hun enkel afwikkelen varieert enorm: langzaam en pittig of juist snel, maar minder krachtig. Het basisidee van het onderzoek was dat het exoskelet de natuurlijke beweging van de enkel moet benaderen, om de energiebesparing voor de drager zo groot mogelijk te maken.
 

Combinaties

De onderzoekers kennen de kracht van het exoskelet op de voet verschillende parameters toe: de grootte van de kracht, het moment van de krachtpiek, de rise time en de fall time (zie figuur hieronder). Met behulp van deze vier parameters zijn talloze verschillende combinaties te maken; zie de gekleurde pieken hieronder.



In de tests wandelden de proefpersonen op een loopband met het exoskelet aan een been. Het apparaat droeg krachten over op het been, terwijl tegelijkertijd het energieverbruik van de proefpersoon werd gemeten, met behulp van ademhalingsmeter.

Tijdens een uur wandelen veranderde het systeem steeds een klein beetje het krachtenprofiel op de enkel. Uit de ademanalyse komt naar voren bij welke manier van stimuleren de proefpersoon de minste energie verbruikt. Deze data zegt iets over de ideale timing van de enkelondersteuning voor die persoon.
 

Energiebesparing

Met een enkel-exoskelet op maar één been ondervonden de elf proefpersonen gemiddeld een energiebesparing van 24 % tijdens wandelen. Een proefpersoon haalde zelfs een winst van 33 %. Als kers op de taart namen de onderzoekers vervolgens waar dat proefpersonen die nog een tijdje verder wandelden met het voor hen geoptimaliseerde systeem, nóg meer energie gingen besparen. Dat suggereert dat het lichaam zich ook weer een beetje aanpast wanneer het went aan de prikkels van het exoskelet, schrijven de onderzoekers. Dat effect gaan ze nog verder onderzoeken.
 


Beeldmateriaal J. Zhang et al., Science, 2017.

Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.