Kennisbank › Exoskeletten & neuroprothesen
Exoskeletten en neuroprothesen: wanneer techniek het lichaam versterkt of herstelt
Stel je een rugzak vol kleine motoren voor die precies op het juiste moment meeduwt bij elke stap die je zet, waardoor tillen of lopen ineens een stuk lichter aanvoelt. Zoiets is een exoskelet: een draagbaar frame met sensoren en actuators (kleine motoren of veren die kracht leveren) dat om armen, benen of romp wordt gedragen en de eigen spierkracht aanvult of gedeeltelijk overneemt. Sommige exoskeletten zijn 'actief' en hebben motoren die daadwerkelijk energie toevoegen; andere zijn 'passief' en werken met veren en scharnieren, ongeveer zoals een katrol die je optilt zonder zelf stroom te verbruiken.
Een neuroprothese gaat een stap verder. In plaats van het lichaam van buitenaf te ondersteunen, leest het apparaat elektrische signalen uit het zenuwstelsel af en zet die om in beweging. Denk aan een kunsthand die opent en sluit doordat sensoren de spierspanning in de resterende onderarm meten, of een chip in de hersenen die het denkbeeld 'beweeg de cursor naar rechts' vertaalt naar een echte muisbeweging op een scherm. Beide technologieën draaien om hetzelfde idee: de kloof overbruggen tussen wat iemand wil bewegen en wat het lichaam nog zelfstandig kan.
Wat is het precies?
Bij een exoskelet meten sensoren voortdurend hoe iemand beweegt: de hoek van een gewricht, de druk onder de voet, of de spanning in een spier. Een boordcomputer berekent op basis daarvan hoeveel extra kracht nodig is, en stuurt die opdracht naar motoren bij bijvoorbeeld de heup of knie. Een accu levert de energie, meestal voor een paar uur gebruik. Passieve exoskeletten hebben geen motor maar gebruiken de energie die bij het buigen van een gewricht wordt opgeslagen in een veer, om die bij het strekken weer vrij te geven.
Een neuroprothese werkt met elektroden: kleine metalen contactpunten die elektrische activiteit opvangen. Bij oppervlakkige systemen liggen die op de huid en meten ze spiersignalen (dit heet EMG, elektromyografie). Bij geavanceerdere systemen, zogeheten brain-computer interfaces (BCI's, letterlijk 'hersen-computerkoppelingen'), worden elektroden in of op de hersenen geplaatst. Een bekend voorbeeld is de Utah-array, een piepklein rooster met honderd naaldvormige elektroden dat in de hersenschors wordt geïmplanteerd. Een algoritme, vaak getraind met kunstmatige intelligentie, herkent patronen in deze signalen en vertaalt ze naar een bewegingsopdracht voor een robotarm, cursor of exoskelet. Bij de meest geavanceerde systemen stuurt het apparaat ook informatie terug naar de hersenen, in de vorm van kleine elektrische pulsjes die aanvoelen als tastzin. Dat heet een gesloten lus, omdat beweging en gevoel elkaar voortdurend beïnvloeden, net als bij een gezond lichaam.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is functies teruggeven aan mensen die door een ongeluk, ziekte of aangeboren aandoening bewegingen of ledematen zijn kwijtgeraakt. Denk aan mensen met een dwarslaesie (een beschadiging van het ruggenmerg waardoor signalen tussen hersenen en lichaam niet meer doorkomen) die weer willen staan of lopen, of amputees die een prothese willen die net zo natuurlijk aanvoelt als hun oorspronkelijke hand.
Daarnaast worden exoskeletten ingezet om revalidatie na een beroerte te versnellen, doordat herhaalde, ondersteunde bewegingen het zenuwstelsel helpen nieuwe verbindingen te leggen. Buiten de zorg gebruiken fabrieken en distributiecentra passieve exoskeletten om rug- en schouderklachten bij werknemers te voorkomen, vooral bij herhaald tillen of werken met de armen omhoog. Ook leger en industrie financieren onderzoek naar exoskeletten waarmee soldaten of magazijnmedewerkers zwaardere lasten kunnen dragen zonder sneller vermoeid te raken.
Voorbeelden uit de praktijk
ReWalk Robotics kreeg in 2014 als een van de eerste bedrijven goedkeuring van de Amerikaanse toezichthouder FDA voor een exoskelet dat mensen met een dwarslaesie, met hulp van krukken, weer laat lopen. Het Amerikaanse Ekso Bionics volgde met de EksoNR, die sinds 2016 in revalidatiecentra wordt gebruikt om looptraining te ondersteunen na een beroerte of ruggenmergletsel.
Het Franse bedrijf Wandercraft ontwikkelde het Atalante-exoskelet, dat sinds 2019 in Europese ziekenhuizen wordt getest en bijzonder is omdat het zelf balans houdt, waardoor gebruikers zonder krukken kunnen lopen.
Op het gebied van neuroprothesen implanteerde het Amerikaanse bedrijf Neuralink begin 2024 zijn eerste hersenchip bij een mens, Noland Arbaugh, die daarmee met zijn gedachten een computercursor kon bedienen en online schaakte. Het bedrijf Synchron koos een minder ingrijpende aanpak: hun Stentrode-implantaat wordt via een bloedvat naar de hersenen gebracht, zonder open schedeloperatie, en is sinds 2022 bij meerdere patiënten in de Verenigde Staten en Australië getest.
Op het gebied van prothesen levert het Duitse Ottobock al sinds 2010 de Michelangelo-hand, een myo-elektrische prothese die spiersignalen in de onderarm gebruikt om vingers los van elkaar te bewegen, waardoor grijpen veel natuurlijker verloopt dan met oudere klauwprothesen.
Hoe ver is de techniek?
Medische exoskeletten zijn technisch bewezen, maar nog geen alledaags hulpmiddel. Ze wegen al gauw tien tot vijfentwintig kilo, kosten tussen de dertig- en tachtigduizend euro, en de accu gaat meestal enkele uren mee. Gebruikers hebben training nodig, en niet iedereen met een dwarslaesie komt ervoor in aanmerking. Passieve exoskeletten voor fabriekswerk zijn goedkoper en eenvoudiger, en worden inmiddels bij bedrijven als Ford en BMW op kleine schaal ingezet.
Neuroprothesen met hersenimplantaten staan nog vroeger in de ontwikkeling. Wereldwijd hebben tot nu toe hooguit enkele honderden mensen zo'n implantaat gekregen, vrijwel altijd binnen wetenschappelijke studies. Een belangrijk obstakel is dat het lichaam littekenweefsel vormt rond elektroden, waardoor signalen na verloop van jaren zwakker worden en systemen herhaald herkalibreerd moeten worden. Chirurgie aan de hersenen brengt bovendien risico's met zich mee, en toezichthouders als de FDA stellen strenge eisen voordat zulke implantaten breed toegestaan worden. Niet-invasieve systemen met een EEG-kap (die hersengolven meet via de hoofdhuid) zijn veiliger maar veel minder precies. Belangrijke mijlpalen waren de FDA-goedkeuring van ReWalk in 2014, een publicatie in 2017 van onderzoekers van Case Western Reserve University waarin een verlamde man dankzij een hersenimplantaat en elektrostimulatie van zijn armspieren weer zelfstandig kon eten en drinken, en de eerste menselijke implantaten van Synchron (2022) en Neuralink (2024).
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten zijn Neuralink, Synchron, Blackrock Neurotech, Ekso Bionics en Sarcos Robotics actief, naast onderzoeksgroepen aan Case Western Reserve University en de University of Pittsburgh die al jarenlang met hersengestuurde robotarmen experimenteren. In Duitsland ontwikkelt Ottobock prothesen en werkt German Bionic aan exoskeletten voor de industrie. Japan heeft een lange traditie op dit gebied, met Cyberdyne (het HAL-exoskelet), Honda en Toyota. Frankrijk brengt Wandercraft in, terwijl het Zuid-Koreaanse Hyundai exoskeletten voor fabrieksarbeiders ontwikkelt.
Op onderzoeksgebied speelt Zwitserland een grote rol via de ETH Zürich, die sinds 2016 de Cybathlon organiseert, een internationale wedstrijd waarbij mensen met een beperking met hulp van exoskeletten, prothesen en hersencomputers praktische taken uitvoeren, en via de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en het Wyss Center, die onderzoek doen naar gevoelsterugkoppeling in prothesen. Ook China investeert fors in hersen-computerkoppelingen, onder meer via onderzoeksprogramma's aan Tsinghua University, terwijl in de VS het defensieagentschap DARPA al jaren onderzoek naar geavanceerde prothesen financiert.