De gepantserde mens

Japanse onderzoekers boeken succes met gemotoriseerde
harnassen die de fysieke kracht van de drager verhogen.

Hulpbehoevenden kunnen
zich met behulp van zo’n ‘exoskelet’ op een normale manier voortbewegen.
Anderen krijgen door de robotjas bovenmenselijke capaciteiten. Tot de batterij of de brandstoftank leeg is…

——————————————————————————————————–

——————————————————————————————————–

Eind dit jaar komt het allereerste ‘exoskelet’ op de markt. De HAL
3 (Hybrid Assistive Limb) is het resultaat van tien jaar onderzoek en gaat
veertien- tot negentienduizend dollar kosten. Het is een metalen skelet voorzien
van motoren, sensoren en informatica, dat rondom de benen en de heupen wordt
vastgemaakt.

Gemotoriseerde broek

De gemotoriseerde broek wordt deze maand voorgesteld op de
wereldtentoonstelling in Japan, samen met de prototypes HAL 4 en HAL 5. Die
ondersteunen ook de armen en bieden de drager de mogelijkheid om objecten op te
tillen. Met de extra ‘spierkracht’ die door de robotjas geleverd wordt, kan een
persoon 40 kilogram meer heffen als normaal (video).

De prototypes zien er een stuk
gestroomlijnder uit als de HAL 3. Binnen vier of vijf jaar moeten de
robotpakken zo dun zijn dat ze niet meer te onderscheiden zijn van gewone
kleding, maken de wetenschappers zich sterk. Het exoskelet werd ontwikkeld aan
de Universiteit van Tsukuba en wordt gecommercialiseerd door de spin-off Cyberdyne.
Elke robotjas wordt op maat gemaakt van de specifieke noden en de fysieke
kenmerken van de koper.

——————————————————————————————————–

——————————————————————————————————–

De HAL beschikt voor de besturing niet over knoppen, hendels of pedalen. Het
pak schaduwt en versterkt automatisch de bewegingen van de drager. Als het
menselijke brein instructies doorseint aan de spieren, ontstaat er op de huid
een zwakke elektrische stroom. Het systeem pikt die signalen via tientallen
sensoren op en stuurt ze naar de computer. Die zet de signalen om naar
instructies voor de elektrische motoren aan de heupen, knieën of ellebogen. Een
tweede systeem coördineert het geheel van de bewegingen en houdt het skelet in
evenwicht, op basis van een vooraf vastgelegd bewegingspatroon.

Hulpbehoevenden

Het exoskelet is hoofdzakelijk bedoeld voor de steeds groter wordende groep
hoogbejaarde mensen, zeker in Japan. Meer dan één miljoen Japanners is 90 jaar
of ouder, bijna één procent van de bevolking. In tweede instantie is de HAL
bedoeld voor mensen met een fysieke handicap. Maar ook mensen zonder lichamelijke
problemen kunnen van het harnas gebruik maken.

Denk maar aan bouwvakkers,
reddingswerkers, brandweermannen, ontdekkingsreizigers of bergbeklimmers. Ook
voor sporttraining biedt het exoskelet mogelijkheden. De data van het
bewegingspatroon van een sportvedette kunnen in de machine worden geladen,
zodat andere spelers die bewegingen aan den lijve kunnen ervaren. Ook in het
dagelijkse leven kan de technologie van pas komen. Om thuis snel even de
meubels te verzetten, bijvoorbeeld.

Verpleegsters

Het eerste prototype van een gemotoriseerd exoskelet, de ‘Hardiman 1’, werd al
in 1965 gepresenteerd door het Amerikaanse bedrijf General Electric. Maar de
demonstratie ging totaal de mist in. Sindsdien focusten wetenschappers zich op
de afzonderlijke onderdelen van exoskeletten. De jongste jaren is erg veel
vooruitgang geboekt met artificiële ledematen. Mede dankzij die kennis lijkt de
tijd nu rijp te zijn voor een tweede poging.

De HAL is het eerste exoskelet dat
gecommercialiseerd wordt, maar er zijn meer prototypes in ontwikkeling.
Onderzoekers van het Kanagawa Institute of Technology werken aan de ‘Power
Assist Suit’, een exoskelet dat speciaal bedoeld is voor verpleegsters en
fysiotherapeuten. Ze kunnen er patiënten zonder moeite mee van hun bed
optillen. Het skelet houdt de rug van de drager recht en geeft extra kracht.

Soldaten

Terwijl in Japan de nadruk ligt op robotjassen voor ouderen en hulpbehoevenden,
zien de Verenigde Staten eerder mogelijkheden op militair gebied. Het
Amerikaanse Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) stelde begin 2001
vijftig miljoen dollar ter beschikking voor wie zich wil wagen aan de
ontwikkeling van een exoskelet voor soldaten. Het harnas moet de snelheid, de
kracht en het uithoudingsvermogen van manschappen verhogen. De belangrijkste vereiste
is het ter beschikking stellen van extra ‘spierkracht’. 

——————————————————————————————————–

——————————————————————————————————–

Soldaten kunnen
daardoor beter bepantserd worden en zwaardere wapens met zich meedragen. Het
pak moet de soldaten ook in staat stellen om sneller te lopen en hoog en ver te
springen. Een exoskeleton maakt soldaten dus gevaarlijker en minder kwetsbaar.
De pakken zouden ook de hartslag en het ademritme van de soldaat kunnen
controleren en doorgeven aan de bevelhebbers, zodat die een precies beeld
hebben van de toestand van hun manschappen. Nog een stap verder is een
exoskelet dat een gewonde soldaat op eigen houtje in veiligheid brengt.

Een van die door DARPA gesponsorde projecten is BLEEX, een exoskelet bedacht en
gebouwd aan de Amerikaanse universiteit van Berkeley. Deze robotjas wordt speciaal
ontworpen voor wie te voet lange afstanden aflegt en daarbij een zware lading
meetorst. Het skelet beschikt over een rugzakachtig frame waarop een lading kan
worden vastgebonden. Het pak zelf weegt 45 kilogram en er kan 35 kilogram
bagage mee, maar het geheel voelt als twee kilogram aan voor de wandelaar, zo
bleek uit een demonstratie van een prototype in maart vorig jaar. Lopen of
springen kan nog niet.

Besturing

Het bouwen van een goed functionerend exoskelet is een enorme technologische
uitdaging, die veel verschillende disciplines verenigt. Een van de grootste
moeilijkheden is de besturing. Die vraagt zeer gesofistikeerde mathematische
berekeningen, gebaseerd op de bewegingspatronen van mensen. Bovendien
bemoeilijken wrijving, hitte en andere subtiele invloeden de interactie tussen
mens en robot.

Er moet maar weinig verkeerd gaan om het voordeel van het skelet
om te buigen in een nadeel. Iets te veel gewicht op één kant kan al snel tot
vermoeidheid leiden. Als de motoren ook maar een fractie van een seconde
achterblijven bij de menselijke bewegingen, wordt het skelet een last voor de
gebruiker. Grotere fouten in de coördinatie van een skelet kunnen zelfs
gevaarlijk zijn. Een krachtig exoskelet kan zijn drager vermorzelen.

——————————————————————————————————–

——————————————————————————————————–

Het ontwerpen van een exoskelet kent nog meer uitdagingen. Brommende motoren,
rammelende ledematen of sissende gewrichten zijn niet bevorderlijk voor het
comfort van de drager en zijn omgeving. Zeker voor soldaten moet een exoskelet
muisstil zijn. Het allergrootste probleem is evenwel de energievoorziening. Er
is energie nodig voor de werking van de computer en voor het maken van de
bewegingen zelf. De HAL 3 haalt die uit batterijen. De BLEEX uit een
verbrandingsmotor met een brandstoftank van één liter.

Maar na vijftien minuten
is die energie op en wordt het pak plots extra bagage van enkele tientallen
kilogram. Even zorgeloos een wandelingetje gaan maken is er dus voorlopig niet
bij. DARPA wil voor haar militaire exoskeletten een autonomie van 24 uur, maar
dat lijkt op dit moment een droom te zijn. Zolang er geen doorbaak komt in het
energievraagstuk, blijven de toepassingen van mobiele exoskeletten eerder
beperkt. Het prototype van de Power Assist Suit wordt via een kabel aangesloten
op het stopcontact. 

Kris De Decker (Deze tekst verscheen in Knack van 29 juni 2005) 

Meer op Lowtech Magazine :

Oorlog zonder soldaten – bedienen soldaten straks hun wapens met een joystick veilig van achter de computer thuis?

De knie als energiecentrale : exoskeletten kunnen ook energie opwekken

Startpagina

——————————————————————————————————–