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.

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. De gemotoriseerde broek wordt deze maand gepresenteerd 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 dan normaal. De prototypes zien er een stuk gestroomlijnder uit dan 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 zijn besturing niet over knoppen, hendels of pedalen. Het pak schaduwt en versterkt automatisch de bewegingen van de drager. Als het menselijke brein instructies doorseint naar 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 in 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.

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 gebruikmaken. Denk maar aan bouwvakkers, reddingswerkers, brandweermannen, ontdekkingsreizigers of bergbeklimmers. Ook voor sporttraining biedt het 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.

Spierkracht

Het eerste prototype van een gemotoriseerd ‘exoskelet’, de ‘Hardiman 1’, werd al in1965 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 voor een tweede poging. De HAL is het eerste skelet 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 moeiteloos mee van hun bed tillen. Het skelet houdt de rug van de drager recht en geeft extra kracht.

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 50 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 ‘exoskelet’ 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 harnas dat op eigen houtje een gewonde soldaat in veiligheid brengt.

Een van die door DARPA gespon-sorde projecten is BLEEX, een skelet 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 torst. 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, het gevoelsgewicht voor de wandelaar is slechts 2 kilogram, zo bleek uit een demonstratie van een prototype in maart vorig jaar. Lopen of springen kan nog niet.

Brandstoftank

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 aan één kant kan al snel tot vermoeidheid leiden. Als de motoren 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 harnas 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 de jas 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 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. Zolang er geen doorbraak komt in het energievraagstuk, blijven de toepassingen eerder beperkt.

Kris De Decker

Het bewegingspatroon van een sportvedette kan in de machine worden geladen, zodat andere spelers die bewegingen aan den lijve kunnen ervaren.