Bionics

Al eeuwen­lang is de men­sheid op zoek naar manieren om zichzelf hele­maal of gedeel­telijk te kun­nen ver­van­gen. Zo gebruik­te men in de oud­heid al stokken als been­prothe­ses, en ook de hak­en van pirat­en vor­men een vroege vorm van ortho­pe­die.

Illus­tratie door Wout Vier­ber­gen

De laat­ste decen­nia wordt ook bion­i­ca meer en meer bij het ver­van­gen van lede­mat­en betrokken. De term ‘bion­i­ca’ is een samen­voegsel van de Griekse woor­den ‘bion’ en ‘ica’, wat ‘een­heid van lev­en’ en ‘als/zoals’ beteke­nen. De fau­na en flo­ra ron­dom ons hebben zich door de evo­lu­tie zo effi­ciënt aangepast aan de omgev­ing, dat vele tech­nolo­gieën de mos­terd bij Moed­er Natu­ur halen. Zo zijn de haak­jes van een klit­ten­band gebaseerd op de haak­jes van, jawel, de klitvrucht en bracht het lotus­blad inspi­ratie voor zel­freini­gende dak­en of tonen com­put­er­virussen grote gelijkenis­sen met hoe biol­o­gis­che virussen zich ver­sprei­den en repro­duc­eren. Het is duidelijk: de natu­ur vormt dé grote inspi­ratiebron voor vele studiege­bieden zoals elek­tron­i­ca, biotech­nolo­gie, hydrauli­ca, com­put­er­weten­schap­pen, geneeskunde, nan­otech­nolo­gie enzovoort. Het menselijke lichaam is echter zo com­plex dat inter­ac­tie tussen mens en machine ken­nis uit al deze studiege­bieden vraagt. De inter­dis­ci­plinaire weten­schap die machines met biol­o­gis­che organ­is­men zoals spieren, been­deren en zenuw­s­telsel laat inter­ageren heet bio­mechatron­i­ca. Weten­schap­pers proberen met deze ken­nis lev­ende organ­is­men te ver­van­gen, te ver­volledi­gen of zelfs te overtr­e­f­fen en sinds enkele jaren is dat geen verre sci­encefic­tion meer.

TMI

In 2015 voer­den art­sen van het UZ Gent, onder lei­d­ing van ortho­pe­disch chirurg Wim Van­hove, een baan­brek­ende ingreep uit: via osseïn­te­gratie en Tar­get­ed Mus­cle Inner­va­tion (TMI) plaat­sten ze bij de Vlaamse stu­dent Samy Meziani de eerste bion­is­che kun­starm in Bel­gië. Van­hove kreeg dat jaar de titel van Straf­ste Gen­te­naar voor de door­braak met zijn team, maar wat maak­te deze oper­atie pre­cies zo rev­o­lu­tion­air?

De ingreep die Van­hove bij Meziani uitvo­erde, bestond uit twee luiken, namelijk aan de ene kant de osseïn­te­gratie en aan de andere kant de Tar­get­ed Mus­cle Inner­va­tion. Osseïn­te­gratie is een tech­niek waar­bij een bot­stuk in kun­st­stof, vaak is dat alu­mini­um, in direct con­tact staat met lev­end bot en zachte weef­sels zoals spieren, pezen en lig­a­menten, waar­door de prothese ste­viger aan het lichaam vast zit dan kun­stlede­mat­en met een zuig­nap. Mus­cle Inner­va­tion staat voor het inte­gr­eren van zenuwen die overbli­jven uit de geam­puteerde lede­maat in het spier­weef­sel in het overbli­jvende gedeelte. De hersen­im­pulsen wor­den ver­vol­gens door een kleine com­put­er in de prothese opgepikt, waar­door een meer natu­urlijke beweg­ing en beweg­ing­suit­slag ontstaat. Dat is min­der het geval bij de myoëlek­trische (arm)protheses die tot van­daag de dag het meest gebruikt wor­den. Hier zit­ten de sen­sors in de op maat gemaak­te prothese zelf die de ger­ing­ste spierspan­ning en elek­trische sig­nalen in zenuwen kun­nen “aan­voe­len”. Deze prothe­ses kun­nen redelijk accu­rate beweg­in­gen uitvo­eren, maar zijn vrij zwaar en duur. Een ander nadeel is dat de impulsen alti­jd met een kleine ver­trag­ing in beweg­ing omgezet wor­den.

IMES

Naast TMI is er nog een andere tech­niek die hersen­ges­tu­urde stur­ing van een prothese mogelijk maakt, namelijk Implant­ed Myo­elec­tric Sen­sor Tech­nol­o­gy of IMES. Hoewel even rev­o­lu­tion­air als TMI, gaat het hier om een relatief een­voudi­ge ingreep waar­bij sen­soren in de spieren van de patiënt geïm­planteerd wor­den. De sen­soren van­gen hersensignalen op en sturen die prikkels ver­vol­gens door naar de prothese. Voor deze ingreep heb je dus geen overbli­jvende zenuwen nodig. De IMES-tech­niek werd ontwikkeld door het IJs­landse ortho­pe­disch bedri­jf Ossur en in 2015 implanteerde dr. Thor­val­dur Ing­vars­son de tech­nolo­gie voor het eerst bij Gud­mundur Olaf­s­son, een man die tij­dens zijn jeugd zijn rechter­voet en ‑onder­been ver­loor. Toen dan ein­delijk het moment kwam waarop hij voor het eerst zijn nieuwe voet mocht passen, kon hij er al na tien minuten mee weg­wan­de­len “alsof hij het met zijn eigen spieren bewoog.” De IMES-prothese reageert dan ook op onbe­wuste, reflex­matige impulsen, waar­door de gebruik­er niet zelf hoeft na te denken over de beweg­ing. Dat zorgt er dan weer voor dat de prothese een grote vooruit­gang betekent qua func­tion­aliteit bij prothe­ses voor de onder­ste lid­maat, aangezien de sta­biliteit ervan voor een groot deel afhangt van een voort­durende onbe­wuste wis­sel­w­erk­ing tussen voet- en been­spieren.

“De prothe­ses zijn vooral op het ver­beteren van func­tion­aliteit gericht”

“De IMES-prothese reageert op onbe­wuste impulsen”

We, Robot

Momenteel zijn de hersen­ges­tu­urde prothe­sen er vooral op gericht om de func­tion­aliteit van de patiënt uit te brei­den. Een vol­waardig alter­natief voor een menselijk lid­maat is er helaas nog niet. Om dat te kun­nen bereiken, is er nood aan prothe­sen die ook sen­sorische feed­back teruggeven aan de patiënt. Zon­der deze feed­back kan hij bijvoor­beeld niet voe­len hoe hard een voor­w­erp vastgenomen wordt, waar­door pre­cieze beweg­in­gen niet mogelijk zijn, maar hier wor­den vorderin­gen gemaakt. Zo is DARPA (US Defence Advanced Research Projects Agency) erin ges­laagd om een ver­lamde man gevoel te geven in een prothese die door directe bedrad­ing in verbind­ing stond met zijn herse­nen.
 

Van een stok aan je been naar armen die geïn­spireerd lijken te zijn op films als ‘Iron Man’ of ‘Pacif­ic Rim’. Er zijn al enorme stap­pen voor­waarts gemaakt en elk jaar zijn er rev­o­lu­tion­aire door­brak­en in de bion­i­ca. Waar zal het eindi­gen? Zal het ooit eindi­gen? Wat ooit voor onmo­gelijk gesteld werd, is van­daag realiteit. Dat bewi­jzen de hersen­ges­tu­urde prothe­sen. Zal wat van­daag onmo­gelijk geacht wordt dan ook ooit realiteit wor­den? Zullen we ooit alle­maal robot­su­perkracht­en hebben?