maxon Story
Smart ArM: verleg de grenzen van het menselijk lichaam
Met het oog op de Cybathlon 2020, een unieke internationale wedstrijd voor deelnemers met een beperking die gebruik maken van bionische hulptechnologieën, heeft een team van Franse onderzoekers van het Institute of Intelligent Systems and Robotics (ISIR) in Parijs de “Smart ArM” ontwikkeld. Het is een armprothese, ontworpen voor mensen met een transhumerale amputatie, d.w.z. boven de elleboog. Het protheseontwerp is het resultaat van jarenlang onderzoek en vormde een enorme uitdaging, omdat er een elleboogprothese moest worden gemaakt. Dit artikel blikt terug op deze technologische prestatie en dit menselijk avontuur.
Vanwege de coronapandemie zou de Cybathlon 2020 op 13 en 14 november 2020 plaatsvinden in een mondiaal, nieuw formaat, op de thuisbasis van de teams. De teams hielpen mee aan de wedstrijdopzet en zouden de wedstrijden filmen. Vanuit Zürich zouden de wedstrijden via een nieuw platform worden uitgezonden in een uniek liveprogramma.
Een armprothese ontworpen voor mensen met een transhumerale amputatie, d.w.z. boven de elleboog
Elk project dat ten doel heeft concreet iets aan de behoeften van mensen met een bepaalde fysieke beperking te doen is ambitieus
Armamputatie komt minder vaak voor dan onderarm- of handamputatie en heeft lang relatief weinig aandacht binnen het wetenschappelijke onderzoek gehad. Het wordt aangeduid als amputatie boven de elleboog, of totale onderarm-agenese of dysmelie (afwezigheid sinds de geboorte). Hoewel deze beperking vooral jonge mensen betreft die graag een prothese willen aanmeten, zijn er momenteel weinig of geen geschikte prothetische oplossingen beschikbaar. Daarom is een team onderzoekers van het Institute of Intelligent Systems and Robotics (ISIR) in 2014 een onderzoeksproject gestart. Deze onderzoekers, die deel uitmaken van het AGATHE-team (Assistance au Geste et Applications thérapeutiques), hebben veelbelovende resultaten geboekt op het gebied van prothesen voor de bovenste ledematen. “Nadat we de eerste editie van de Cybathlon in 2016 als toeschouwer, hadden bijgewoond, wilden we een team oprichten om onze visie en onze innovaties te promoten,” aldus Nathanaël Jarrassé, onderzoeksmedewerker bij ISIR en manager van het Smart ArM-project. Jarrassé heeft een passie voor zijn vak: het optimaliseren van het menselijk lichaam.
Koppeling tussen mens en machine
Nu moesten ze nog een kandidaat voor de prothese vinden. Na verschillende vruchteloze zoektochten werd de ideale kandidaat gevonden na een gesprek tussen een medewerker van maxon, een partner van de Cybathlon en een leverancier van motoren voor de ISIR. De kandidaat is Christophe Huchet, een voormalig manager van Parijse restaurants, die nu bedrijfsleiders van bedrijven in het midden- en kleinbedrijf coacht. Huchet is geboren met een agenese van de rechteronderarm en heeft hij een indrukwekkende zwemcarrière achter de rug. Hij is meervoudig kampioen handisportzwemmen en heeft ook tussen zwemmers zonder beperkingen goed gepresteerd. “Dit project brengt me terug in de wedstrijdsport en de bijbehorende dynamiek die ik goed heb gekend in mijn zwemcarrière. Dit keer doe ik echter mee in dienst van een goed doel: anderen helpen en de technologie en de maatschappij vooruit helpen. Ik vind het belangrijk om bij dit evenement te zijn. Het wil een verandering teweegbrengen in hoe mensen met een brace andere mensen met braces zien, het wil de buitengewone kant van de twee-eenheid ‘gebruiker-prothese’ laten zien en wil deze alliantie van lichaam en technologie, die de beperking in zekere zin ‘mooi’ maakt, bevorderen,” legt Christophe Huchet uit.
Om deel te kunnen nemen aan de Cybathlon is in 2018 het team Smart ArM opgericht. Het bestaat uit een drager (atleet), een manager, een technisch team van 11 mensen van het ISIR en het ISM-Univ Aix-Marseille alsmede een medisch team. Een dergelijk project brengt zeer verschillende onderzoeksgebieden samen, van mechatronica tot computerwetenschappen, inclusief neurowetenschappen en fysiologie. Men werkt samen zodat de prothese goed aan het lichaam gekoppeld kan worden.
“Onze deelname aan de Cybathlon was ingegeven door verschillende doelstellingen, waaronder de promotie van de technologische innovaties van ISIR. De wedstrijdcontext bood zich perfect aan voor tests. We wilden ook de aandacht van het grote publiek op deze bijzondere fysieke beperkingen vestigen en tegelijkertijd de reële mogelijkheden en beperkingen van robotische hulptechnologieën bekendmaken,” legt Nathanaël Jarrassé uit. Het Smart ArM-project benadrukt de belangrijke rol van de mens in de ‘mens-machine’-eenheid. Want we zijn vaak geneigd te geloven dat succes alleen aan technologie te danken is.
Meerdere problemen bij het ontwerp
Het Smart ArM-team werd geconfronteerd met verschillende problemen om zijn pilootproject van de grond te krijgen. De grootste uitdaging bestond in het ontwikkelen van een prothetisch ellebooggewricht, bekend als een ‘exoskelet’. Dit moest aansluiten op de anatomie van Christophe Huchet. “In tegenstelling tot het resterende ledemaat van iemand met een geamputeerde arm, meestal verkort door de amputatiehandeling, heeft zijn arm de lengte van een normale arm en laat hij dus weinig ruimte over voor een klassiek endo-skeletaal ellebooggewricht,” legt Nathanaël Jarrassé uit. Omdat de as van het elleboogprothesegewricht zo beter geplaatst kon worden, kozen de onderzoekers ervoor om de laterale bediening te compenseren.
Maar dit was lang niet de enige uitdaging van de Smart ArM-prothese: aangezien het de bedoeling was dat hij aan de Cybathlon mee ging doen, moest het prototype bestand zijn tegen intensief gebruik buiten het laboratorium. Het was daarom noodzakelijk om een robuust en volledig ingebed apparaat te ontwerpen.
Hoge eisen aan de motor
De keuze van de motor voor het prototype was cruciaal en er moest met verschillende factoren rekening worden gehouden. De reductiemotoren van het prototype worden geconfronteerd met een zeer intensief intermitterend gebruik, met een wormwieloverbrenging voor het ellebooggewricht met een laag rendement en een hoge droge wrijving, wat het starten bemoeilijkt. Ook moest rekening worden gehouden met grote schommelingen in de voedingsspanning en aanzienlijke schokken en trillingen, aangezien het prototype zou worden gedragen door een proefpersoon die voortdurend loopt en wandelt.
Er was zes maanden werk voor nodig om het exoskeletale ellebooggewricht van de SAM-prothese te ontwikkelen. Voor de bediening koos het team voor een maxon motor. “Een menselijke elleboog genereert ongeveer een koppel van 15 N/m bij snelheden van meer dan 150°/s. Om dit na te bootsen met een klein gewricht en accuvoeding, waren we op zoek naar een superieure motor met kleine diameter. Daarom kozen we voor de DCX-GPX-overbrengingen van maxon,” vertelt Nathanaël Jarrassé. Op het ISIR-instituut is het niet ongebruikelijk dat robotprototypes – ontwikkeld in het kader van verschillende onderzoeksprojecten – met maxon motoren worden uitgerust. “Het voordeel van de producten van maxon is dat ze vele verschillende actuatoren met een kleine diameter en motoren met perfect geïdentificeerde eigenschappen aanbieden, wat een optimale dimensionering van onze apparaten tijdens de voorbereidende ontwerpfasen mogelijk maakt,” vult de projectmanager van Smart ArM aan. De onderzoeksteams aan de Sorbonne waardeerden vooral de mogelijkheid om de actuator online te bouwen en aan te passen. maxon bood ook technische ondersteuning in de vorm van expertise van haar ingenieurs.
Het Smart ArM-team hoopt dat de demonstratie van zijn knowhow tijdens de Cybathlon 2020 een brug kan slaan tussen innovatieproducten en commerciële producten. Het is ervan overtuigd dat zijn innovatieve benadering van prothesebesturing – gebaseerd op lichaamsbewegingen – fabrikanten zal overtuigen om partnerschappen aan te gaan, waardoor zoveel mogelijk mensen van deze innovatie kunnen profiteren. “Het ontwikkelen van technologie om mensen met een beperking te helpen is, ondanks de vele uitdagingen, extreem stimulerend en spannend,” aldus Nathanaël Jarrassé. Tijdens het hele project heeft het Smart ArM-team zich ingezet om een nuttig, aanvaardbaar en geschikt hulpmiddel te ontwikkelen voor mensen die een apparaat nodig hebben. Een grote ambitie waar maxon trots op is er deel van te hebben uitgemaakt.
Meer informatie op de Smart ArM-website.