Zwaar pak om sneller te rennen

Techniek Een kunstmatig harnas kan helpen om makkelijker te bewegen. Zulke pakken worden steeds veelzijdiger.

Een hardloper met het nieuwe exopak. Een algoritme kan herkennen of de drager van het pak rent of wandelt.
Een hardloper met het nieuwe exopak. Een algoritme kan herkennen of de drager van het pak rent of wandelt. Foto Wyss Institute at Harvard University

Een nieuw, zacht exoskelet vermindert het energieverbruik tijdens zowel het lopen als rennen. Tot nu toe waren voor verschillende activiteiten verschillende exosuits (of exopakken) nodig. Maar onderzoekers aan universiteiten van Harvard, Seoul en Nebraska hebben nu een exopak en bijpassend algoritme ontwikkeld, zo lieten zij vrijdag in Science zien, waarmee een gebruiker zowel kan wandelen als rennen. Soldaten die met zware rugzakken lange afstanden moeten afleggen, kunnen volgens de onderzoekers baat hebben bij dit type pakken.

Een exoskelet of exopak is een kunstmatig harnas dat mensen helpt bij het uitvoeren van zwaar werk, of ondersteuning biedt voor mensen met lichamelijke beperkingen. Veel exoskeletten ondersteunen een compleet been van de rug tot aan de voet. Zo’n exoskelet is van zichzelf al zwaar, maar zorgt ook voor extra gewicht op de ledenmaten. Als zo’n geharnast been beweegt komt het gewicht verder van de romp te staan. Dat kost extra energie. En dat willen ontwerpers waar mogelijk voorkomen. De laatste jaren zijn er ook exoskeletten ontworpen die ook maar één enkel gewricht ondersteunen, waardoor ze lichter en kleiner zijn geworden.

Zachte exopakken zijn de volgende stap in de ontwikkeling van exoskeletten. Alleen kon er met deze pakken tot nu toe ofwel gelopen ofwel gerend worden.

„Het is pas vrij recent mogelijk om het energieverbruik van (hard)lopen te verminderen door een exosuit of exoskelet”, zegt de Nederlandse onderzoeker Herman van der Kooij, die het Wearable Rotobics Lab van de Universiteit Twente leidt. „Dat dit zo lang heeft geduurd en waarom dit zo lastig is komt doordat het menselijk (hard)lopen al heel erg efficiënt is.”

Zacht exopak weegt vijf kilo

Het Amerikaanse ontwerp weegt vijf kilo en bestaat uit een soort atletiekpak met banden om de dijen en heup. Op de bovenbenen en buik zitten sensoren die de bewegingen meten en aan de hand daarvan bepalen wat de drager doet: wandelen of rennen. Onder aan de rug zit een aandrijfmechanisme. Daarvandaan lopen kabels naar de heup en dijen die kunnen aan- of ontspannen. Als die kabels op het juiste moment met je spieren meebewegen, kan het voelen of je tijdens het lopen 7,4 kilo en tijdens het rennen 5,7 kilo minder met je meedraagt. Het pak levert daarmee niet evenveel energiewinst op als de beste loop- of renpakken, maar het is wel een loop- én renpak ineen, schrijven de onderzoekers.

Negen proefpersonen probeerden het pak in de praktijk uit. Met het pak aan wandelden ze 1,5 meter per seconde (5,4 kilometer per uur), en renden ze 2,5 meter per seconde (9 kilometer per uur) op een loopband en op geasfalteerde wegen. „We hebben met maar één persoon proeven gedaan op snelheden daartussen. Het moet ook nog maar blijken of de aandrijving en het algoritme werken op hogere snelheden”, zegt Philippe Malcom van de University of Nebraska uit, die ook aan het onderzoek meewerkte. In volgende experimenten zullen proefpersonen daarnaast ook op meer ongelijk terrein moeten wandelen en rennen.

Het voelt alsof je tijdens het lopen 7,4 kilo minder met je meedraagt

Kijk je naar de beweging, dan zijn wandelen en rennen bijna tegenpolen, legt Malcolm uit. „We kijken onder meer naar hoe de spieren zich gedragen.” Tijdens het lopen bewegen de benen als een soort omgekeerde slingers die het massamiddelpunt van je lichaam steeds verplaatsen. Rennen lijkt meer op een massa-veersysteem. Ook de belasting van de gewrichten verschilt; tijdens het lopen ligt die zowel bij de enkels als bij de heup; bij rennen vooral in de knieën, gevolgd door de heup.

91 procent van het gewicht van het pak wordt op de romp gedragen. Dat het algoritme goed berekent of de drager loopt of rent, is van belang, benadrukken de onderzoekers. Wanneer het pak de verkeerde aandrijving toepast, dus ondersteuning geeft voor wandelen terwijl je aan het hardlopen bent, kan je dat wel 34 procent meer energie kosten.

Defensieonderzoek

Het is niet zo dat exopakken per definitie exoskeletten zullen gaan vervangen. Dat ligt er maar aan waar je het voor wil gebruiken. Studenten van de TU Delft presenteerden afgelopen dinsdag een nieuwe versie van hun exoskelet voor dwarslaesiepatiënten. Dit ontwerp kan nu ook zijwaartse stappen zetten, dat kon het eerst nog niet. Een zacht pak zoals dat van Harvard biedt daar echter niet genoeg ondersteuning voor. Een dergelijk ontwerp heeft op termijn mogelijk eerder toepassingen in het leger – het onderzoek is gefinancierd door het Amerikaanse instituut voor defensieonderzoek DARPA.

„Veel soldaten dragen zeer zware rugtassen van wel veertig kilo, waardoor ze hun pezen en gewrichten overbelasten. Een exopak kan het lichaam gedeeltelijk ontlasten,” aldus Van der Kooij. Behalve soldaten kunnen ook mensen die door ouderdom of een beroerte moeite hebben met lopen, baat hebben bij soortgelijke exopakken.