Proprioceptie: het onzichtbare zintuig dat machines leren namaken
Sluit je ogen en raak met je wijsvinger het puntje van je neus aan. De meeste mensen lukt dat moeiteloos, zonder ook maar één keer te kijken. Dat kunstje danken we aan proprioceptie: het vermogen van je lichaam om precies te weten waar je armen, benen en vingers zich bevinden en hoe ze bewegen, zonder dat je ogen daaraan te pas komen. Het wordt weleens het "zesde zintuig" genoemd, hoewel het eigenlijk een verzameling signalen is die voortdurend vanuit spieren en gewrichten naar de hersenen stroomt.
In de context van toekomsttechnologie duikt de term steeds vaker op buiten de biologie. Onderzoekers die robots bouwen of prothesen ontwerpen voor mensen die een arm of been missen, proberen dit lichaamsbesef namelijk kunstmatig na te bootsen. Een robotarm die alleen op camerabeelden vertrouwt, is traag en onhandig; een prothese die niets voelt, is voor de drager net zo vreemd als een dood ledemaat. Proprioceptie nabouwen is dan ook een van de lastigste en meest onderschatte puzzels in de neurotechnologie.
Wat is het precies?
In het menselijk lichaam zitten proprioceptie-sensoren verspreid over spieren, pezen en gewrichten. Spierspoeltjes (kleine sensoren binnen de spier) meten hoe ver een spier uitrekt. Peesorganen van Golgi meten de spanning die op een pees staat. Receptoren in de gewrichten registreren de hoek waarin een gewricht staat. Al die signalen reizen via zenuwbanen naar het ruggenmerg en vervolgens naar de hersenen, waar vooral de pariëtale hersenschors en de kleine hersenen (cerebellum) ze verwerken tot een continu, onbewust beeld van je lichaamshouding.
Dit is iets anders dan tastzin. Tastzin (in de wetenschap exteroceptie genoemd) gaat over prikkels van buitenaf, zoals druk of textuur op je huid. Proprioceptie gaat over de interne toestand van je lichaam zelf. Beide systemen werken wel nauw samen: pak je een kopje koffie, dan vertelt tastzin je hoe glad het kopje is, terwijl proprioceptie ervoor zorgt dat je vingers precies genoeg kracht zetten zonder dat je hoeft te kijken.
Techniek benadert dit op twee manieren. In robots gebeurt het met fysieke sensoren: encoders die de hoek van een gewricht meten, krachtsensoren in de "pezen" van een robotarm, en traagheidssensoren (IMU's) die versnelling en oriëntatie registreren. Die data gaat rechtstreeks naar de besturingssoftware van de robot, die er in real time mee rekent. Bij prothesen ligt het lastiger: hier wil men niet alleen dat de prothese zelf "weet" hoe hij staat, maar dat de drager dat ook voelt. Daarvoor worden sensordata omgezet in elektrische pulsjes die via elektroden op zenuwen of in de hersenen worden afgegeven, in de hoop dat de hersenen dat signaal interpreteren als een gevoel van beweging of druk.
Wat wil men ermee bereiken?
Voor prothesegebruikers is het doel vooral functioneel en emotioneel tegelijk. Zonder terugkoppeling moet iemand voortdurend naar zijn kunsthand kijken om te zien of hij een ei al dan niet fijnknijpt. Met proprioceptieve feedback kan dat op gevoel, wat fijne motoriek enorm vereenvoudigt. Onderzoek wijst er bovendien op dat dit soort feedback fantoompijn kan verminderen: pijn die ontstaat doordat de hersenen een ontbrekend ledemaat blijven "missen".
Voor robotica is de motivatie anders: robots die alleen op camera's vertrouwen, vallen om zodra het zicht wegvalt of het beeld vervuild raakt door stof of tegenlicht. Proprioceptieve sensoren maken balanceren, lopen over oneffen terrein en grijpen met de juiste kracht veel robuuster, ook in het donker.
Ook in virtual reality en revalidatiegeneeskunde speelt het begrip mee. Een mismatch tussen wat je ziet in een VR-bril en wat je lichaam voelt, is een belangrijke oorzaak van bewegingsziekte in VR. En bij aandoeningen als diabetes, Parkinson of na een beroerte gaat proprioceptie vaak (deels) verloren, wat het testen en trainen van dit zintuig ook medisch relevant maakt.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete projecten laat zien hoe ver dit onderzoek al gevorderd is:
- DARPA's Revolutionizing Prosthetics-programma (ongeveer 2006–2014) financierde de ontwikkeling van de Modular Prosthetic Limb, een geavanceerde robotarm van het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory die met hersensignalen kan worden aangestuurd en in latere versies ook sensorische terugkoppeling kreeg.
- Case Western Reserve University en het Cleveland VA Medical Center ontwikkelden onder leiding van onderzoeker Dustin Tyler een systeem met manchet-elektroden rond restzenuwen in de arm. Proefpersonen rapporteerden dat ze door elektrische stimulatie realistische gewaarwordingen in hun ontbrekende hand voelden, zoals druk op verschillende vingers.
- University of Pittsburgh: onderzoekers rond Robert Gaunt implanteerden elektroden rechtstreeks in de sensorische hersenschors van een verlamde patiënt. Door die hersenschors elektrisch te stimuleren, kon de patiënt lokale gewaarwordingen van aanraking en druk in zijn hand ervaren, ondanks dat hij zijn arm niet meer kon bewegen of voelen.
- Utah Slanted Electrode Array, ontwikkeld aan de University of Utah, is een matrix van microscopisch kleine naaldelektroden die in een zenuw wordt geplaatst. Dit type array wordt in meerdere laboratoria gebruikt om zowel spiersignalen af te lezen als sensorische feedback terug te sturen.
- Dynamische robots zoals de viervoeters van Boston Dynamics en onderzoeksplatforms als de MIT Cheetah leunen zwaar op proprioceptieve sensoren in hun gewrichten (positie- en krachtsensoren, IMU's) om in milliseconden hun balans te corrigeren, iets wat op camerabeelden alleen veel te traag zou gaan.
Hoe ver is de techniek?
Op het gebied van robotica is proprioceptieve sensing inmiddels volwassen technologie: vrijwel elke industriële of onderzoeksrobot gebruikt encoders en krachtsensoren, en dit werkt betrouwbaar in commerciële producten.
Bij prothesen en hersen-computerinterfaces ligt dat anders. Daar bevindt het onderzoek zich grotendeels nog in de lab- en proeffase. De meeste systemen met sensorische terugkoppeling vereisen geïmplanteerde elektroden en een bekabelde of externe verwerkingseenheid, wat dagelijks gebruik buiten het laboratorium bemoeilijkt. Het aantal onderscheidbare "gevoelspunten" dat je op deze manier kunt opwekken, is nog beperkt: tientallen, geen honderden zoals een gezonde hand heeft. Ook de langetermijnstabiliteit is een probleem, omdat littekenweefsel rond implantaten het signaal na verloop van tijd kan verzwakken.
Commercieel verkrijgbare prothesen sturen doorgaans wel spiersignalen uit de arm (EMG) om de hand te besturen, maar geven de drager zelden echte sensorische terugkoppeling terug. Een volledig draadloze, chronisch stabiele en door toezichthouders goedgekeurde prothese met proprioceptief gevoel bestaat op dit moment nog niet als marktproduct; het blijft voorlopig experimentele, klinisch onderzochte technologie bij een beperkt aantal proefpersonen.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten financiert defensieonderzoeksbureau DARPA een groot deel van het fundamentele onderzoek, uitgevoerd door onder meer het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, Case Western Reserve University, de University of Pittsburgh en de University of Utah. Deze instellingen werken vaak samen met VA-ziekenhuizen (voor Amerikaanse veteranen) om prothesen bij echte patiënten te testen.
Op de commerciële markt richten prothesefabrikanten als het Duitse Ottobock en het Amerikaanse Coapt zich vooral op betere besturing via spiersignalen; sensorische terugkoppeling zit bij hen nog niet standaard in de producten, maar wordt wel onderzocht. In de robotica investeren bedrijven als Boston Dynamics en academische labs zoals dat van Sangbae Kim aan het MIT in proprioceptieve actuatoren voor snellere, stabielere bewegingen.