Ik had niet verwacht dat ik dit zou doen!
Kijk wat we kunnen doen
Bodo Hoenen
Een paar maanden geleden was ik bij een paneldiscussie in Cannes en sprak over empowerment van meisjes. Ik beëindigde dat gesprek met een uitspraak waarvan ik dacht dat die een paar maanden later niet zo persoonlijk van toepassing zou zijn: "Stel je de vreugde voor in de ogen van een jong meisje wanneer ze door haar werk beseft hoe krachtig ze is." Een paar minuten nadat ik van het podium was gelopen, belde mijn vrouw, ze lag in het ziekenhuis met onze dochter.
Wanneer het leven gebeurt
Mijn dochter Lorelei kreeg een zeldzame ziekte, een virale infectie, die zwelling veroorzaakte op haar ruggengraat en hersenen. In de daaropvolgende uren veranderde ze van het brutale, speelse meisje dat ze altijd was, in een meisje dat moeite had om te ademen en wiens lichaam verlamd raakte. Tegen de tijd dat ik bij haar in het ziekenhuis aankwam, had ze het gebruik van haar linkerarm verloren, haar kernspieren waren ernstig verzwakt, ze kon niet lopen, staan of zitten en had moeite om te ademen en te spreken.
Ze kreeg de diagnose acute slappe myelitis, een zeldzaam polio-achtig syndroom, en de prognose was niet goed. Van de paar honderd gevallen die tot nu toe in de VS zijn waargenomen, waren sommige kinderen overleden, de meesten hadden aanhoudende verlamming en slechts een handjevol (minder dan 5%) was volledig hersteld. Dit konden wij niet accepteren!
Ik ben niet gebroken!
Mijn dochter en ik besloten deze uitdaging het hoofd te bieden. Naast alles te doen wat de doktoren en specialisten aanraadden, besloten we een robotarm te bouwen die ze kon dragen. We kregen dit idee van onderzoek in hulpmiddelen voor exoskeletten die verlamde mensen hebben geholpen weer te lopen. We zouden hetzelfde doen door een exoskeletarm te bouwen om revalidatie te stimuleren door haar haar verlamde arm normaal te laten gebruiken. We zouden het open source maken, mensen bereiken die veel slimmer zijn dan wij en documenteren wat we doen terwijl we bezig zijn. Zo konden we ook andere kinderen helpen die we de afgelopen weken kwamen ontmoeten en die ook verlamd zijn.
Door onderzoek wisten we dat grote bedrijven vergelijkbare apparaten bouwden, we moesten alleen uitzoeken hoe we het zelf konden bouwen. Bouw het 10 keer goedkoper en maak het 10 keer lichter, zodat Lorelei, een vijfjarige, het overal kan gebruiken.
"Dus dat is wat we wilden doen, we schoten op de maan!"
Nu moet ik u waarschijnlijk vertellen dat we weinig tot geen ervaring hadden met robotica. In feite hadden we weinig ervaring met bijna alles wat we nu hebben gedaan. En dat is een van de geneugten van dit verhaal. Door open innovatie en de hulp van anderen kunnen we geweldige dingen doen!
We hebben de uitdaging op een rijtje gezet
Tijdens het ziekenhuisverblijf werd het lichaam van mijn dochter sterker, maar haar linkerarm bleef verlamd. Ze kon haar vingers bewegen en haar pols verdraaien, maar het was onwaarschijnlijk dat haar arm en schouder weer veel beweging zouden krijgen. Ze kon een heel kleine beweging maken als haar arm in een toestand van gewichtloosheid was, zoals wanneer ze ondergedompeld was in water. Ze kon het zonder hulp ongeveer 10 graden in beide richtingen bewegen. Dit betekende dat in ieder geval een heel zwak signaal haar spieren bereikte en dat niet alle motorneuronen volledig beschadigd waren. Als we erachter zouden kunnen komen hoe we die signalen kunnen oppikken, zouden we die kunnen gebruiken om de ondersteunende robotarm te besturen en nieuwe neurale verbindingen aan te moedigen.
Deze hulparm zou ook aan enkele functionele eisen moeten voldoen. Lorelei's schouder is erg zwak, daarom kon wat we ook bouwden niet meer wegen dan 150 gram. Het zou ook mobiel moeten zijn en minstens 400 uur lang vele malen per uur minstens 5 gram kunnen oppakken. Het moest gemakkelijk kunnen worden aangepast en als het vaak gedragen zou worden, op school en met haar vrienden, moest het licht, comfortabel en mooi zijn!
Al snel hadden we een globaal idee van wat we wilden doen: Lorelei's arm scannen om nauwkeurige metingen te krijgen, een 3D-geprinte armsteun printen voor haar onderarm en bovenarm, en die twee verbinden met een actuator die zou worden bestuurd door sensoren die we zouden inbedden in de 3D-geprinte beugels.
Vragen voor hulp
We reikten langs video's opnemen. Om te beginnen hadden we advies nodig over wat de basis van dit apparaat nodig zou hebben. We hebben een eenvoudig ontwerp gemaakt om uit te leggen wat we wilden bereiken en om advies gevraagd. Binnen enkele dagen kregen we de ondersteuning die we nodig hadden. Van Mexico tot Hong Kong, mensen staken hun hand uit om ons te helpen.
Na een paar weken hadden we een vrij goed begrip van alle componenten die we nodig hadden om iets werkend te krijgen. Met een krap budget gingen we shoppen. We kochten een Arduino, een ECG-bord, verschillende sensoren en bouwden een armopstelling om alles op te testen.
Na veel hulp van veel mensen zijn we overgegaan tot het maken van een paar prototypes, en uiteindelijk hebben we er een gevonden die redelijk goed werkte. Het gebruikte bouwstenen van het type Lego die we in elkaar hebben gezet om dingen mee te testen. En nu waren we klaar om naar de volgende stap te gaan.
Leren terwijl we gaan
We moesten overstappen op 3D-printen. We hadden echter wat problemen met het nauwkeurig scannen van Lorelei's arm om de exacte afmetingen te krijgen die we nodig hadden. De moeilijkheid was om haar stil te houden op een draaiende as. Normaal gesproken zou je een duur draaiplateau gebruiken, maar die luxe hadden wij niet. In plaats daarvan hebben we een bord gebruikt. Ik ging op de grond liggen en draaide het langzaam rond en kreeg al snel een geweldige scan. Soms zijn eenvoudige oplossingen de beste! Met de 3D-scan hadden we alle metingen die we nodig hadden.
Uiteindelijk hebben we de beugels ontworpen en plat geprint met PLA-plastic —PLA-plastic kan gemakkelijk worden opgewarmd om flexibel te worden, en wanneer het weer afkoelt, wordt het stijf. Dit zou ons in staat stellen om het te verwarmen en om Lorelei's arm te vormen, waardoor kleine veranderingen in het ontwerp en de pasvorm direct kunnen worden doorgevoerd, simpelweg door te verwarmen en te buigen. Om ervoor te zorgen dat we haar arm niet verbrandden met het verwarmde plastic, hebben we afgietsels van haar arm gemaakt, zodat we het hete plastic rond de afgietsels konden gieten. [VIDEO]
Een wegversperring raken
De spiersensor die we aanvankelijk gingen gebruiken, zat op de spier en meet het elektrische signaal met behulp van twee elektroden. Dit is een grafiek van hoe mijn armsignaal eruit ziet. Je kunt duidelijk zien wanneer het ontspannen is en wanneer ik actief aan mijn spier trek.
Wat de sensor dan zou doen, is het ruwe signaal filteren en normaliseren. We zouden dan een drempel kunnen instellen die de robotarm zou activeren. Als ik aan mijn spier trok, trok de robotarm, en als ik ontspande, zakte de arm weer naar beneden.
Maar de uitdaging kwam toen ik probeerde het voor mijn dochter te laten werken. Haar spiersignalen waren gewoon te zwak. We moesten de drempel zo laag instellen dat deze onbedoeld zou worden geactiveerd door haar hart- en andere spiersignalen.
Creatief problemen oplossen
Ik legde Lorelei uit dat haar spiersignalen waren als treinen die over een spoor rijden en dat we geen betrouwbaar signaal konden krijgen omdat het spoor kapot was. Een paar dagen later, terwijl ze op een treinstation was, keek ze me aan met een geniale vonk en zei:
"Waarom zoeken we alleen een trein?"
Dat is het! Laten we het signaal niet wegfilteren en normaliseren, laten we naar het volledige signaal kijken. Omdat ik een computerachtergrond had, wist ik een beetje van machine learning. Met machine learning kun je een algoritme trainen om enorme datasets te doorzoeken en belangrijke datapunten te leren selecteren. Zo werkt beeldherkenning en spraakherkenning. Wat als we hetzelfde proces zouden gebruiken op Lorelei's onbewerkte signalen die uit haar arm komen, in plaats van de signalen te filteren en te normaliseren. Kunnen we een algoritme trainen om te herkennen wanneer ze haar arm probeert op te pakken en te bewegen?
We hebben weer een filmpje gemaakt en deze challenge geplaatst om advies te vragen. Al snel vonden we een aantal interessante opties en een bedrijf dat iets soortgelijks deed. Na een paar e-mails en een telefoontje stuurden ze ons een evaluatie-eenheid. We hebben 17 elektroden op haar bovenarm bevestigd: 8 paar en een basiselektrode. Elk paar zou ons een afzonderlijk ongefilterd signaal geven. Door deze meerdere sensoren zouden we alle signalen kunnen bekijken die door Lorelei's arm gaan.
Nu kunnen we het algoritme trainen. Lorelei zou haar arm omhoog trekken en die signaalgegevens opnemen. Ze zou dan ontspannen en proberen haar arm naar beneden te duwen en het zou die gegevens opnemen. Na een paar trainingssessies kon het algoritme patronen herkennen in de massa signaalruis en konden we daarmee een virtuele arm aansturen. [VIDEO]
Dat was het! Op naar de volgende uitdaging.
Een roep om hulp
We wisten nu dat deze aanpak zou kunnen werken. Het algoritme en de technologie die we gebruikten om het signaal op te pikken, is echter eigendom van ons en de kosten lagen ver boven ons budget om een licentie te verkrijgen.
Waarom zou deze geweldige technologie niet voor iedereen beschikbaar zijn? We willen een open source myo-elektrische signaalherkenningstechnologie bouwen. In de loop van de afgelopen maanden heeft een groep vernieuwers van over de hele wereld zich bij mijn dochter gevoegd om een open source robotarm te bouwen die 10 keer lichter en 10 keer goedkoper is dan wat er is. Dit is ons verhaal tot nu toe, kom bij ons en maak er ook jouw verhaal van!
We staan op de schouders van reuzen!
Ik heb een levensfilosofie waar ik naar leef. Alles wat we doen is te danken aan de miljarden die voor ons hebben geleefd. We hebben het vermogen om te creëren, te innoveren en uit te vinden, maar we kunnen niet beweren dat iets alleen onze creatie is. Veel van de inspiratie die we gebruiken om te creëren, komt van anderen. Het zijn de schouders waar we allemaal op staan. Vanaf het begin van dit project wisten mijn dochter en ik dat we dit wilden doen, niet alleen voor ons maar voor alle kinderen die we hebben leren kennen die ook verlamd zijn door deze ziekte. We hopen dat dit prototype binnenkort betrouwbaar genoeg zal zijn om te delen met duizenden kinderen zoals Lorelei.
Door openlijk te delen wat we hebben gedaan en geleerd, kunnen we vele anderen helpen, net zoals we zijn geholpen.
U kunt ons hier vinden: https://www.facebook.com/OurKidsCanDoAnything
