Vrijdag 30/10/2020

Benen met een brein

Prothesen werden jarenlang wetenschappelijk stiefmoederlijk behandeld, maar een rampzalig klimaccident maakte van de Amerikaan Hugh Herr (50) een man zonder benen maar mét een missie: handicaps voor eeuwig naar het verleden verbannen met behulp van futuristische spitstechnologie. 'De grens tussen mens en machine zal worden opgeheven.'

Het was een van de pakkendste momenten vorig jaar op de jaarlijkse TED-bijeenkomst in Vancouver: aan het eind van zijn voordracht kondigde professor Hugh Herr danseres Adrianne Haslet-Davis en haar partner aan. Terwijl het duo het podium opliep, barstte een stormachtige, staande ovatie los. De delicate rumba die ze daarna dansten op 'Ring my Bells' van Enrique Iglesias, gracieus en ook een klein beetje onwennig, duurde amper dertig seconden, maar in de zaal klonk steeds enthousiaster gejuich. Haast niemand hield het droog. En al helemaal niet toen Adrianne na haar optreden, zelf ondertussen ook met glimmende wangen, professor Herr geëmotioneerd om de hals vloog.

Wat het optreden zo opmerkelijk maakte, is dat Haslet-Davis, een professionele ballroomdanseres, elf maanden eerder bij de aanslag op de marathon in Boston haar linkeronderbeen was kwijtgeraakt, en vreesde dat ze nooit meer zou kunnen dansen. Tijdens haar revalidatie kwam ze echter in contact met Hugh Herr, professor aan het befaamde Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston, en hoofd van een onderzoeksgroep van het MIT Media Lab die zich bezighoudt met de ontwikkeling van nieuwe types geavanceerde (been)protheses.

Herr was ervan overtuigd dat hij Haslet-Davis weer op de dansvloer zou krijgen, en toog meteen aan het werk met zijn team. Ze nodigden dansers in het lab uit om hun bewegingen en de specifieke werking van de pezen en spieren in hun voet en onderbeen te bestuderen, en bouwden een op maat gemaakt prothese waarmee Adrianne opnieuw kon dansen. Het kostte Herrs team welgeteld tweehonderd dagen om Haslet-Davis' onderbeen en, zoals ze zelf zegt, haar leven terug te geven.

De TED-lezing met het dansje is online meer dan drie miljoen keer bekeken, maar dat heeft zonder twijfel ook te maken met Herrs bezielde betoog dat eraan voorafging. De boodschap van de MIT- en Harvardprofessor is opmerkelijk: invaliden hoeven zich niet langer bij hun handicap neer te leggen. Steeds meer handicaps kunnen met technologie overwonnen worden, en de wetenschap evolueert zo snel dat we in de nabije toekomst in staat zullen zijn een heel gamma fysieke en zelfs geestelijke gebreken te verhelpen. Het eindelijke doel is een wereld waarin niemand nog invalide hoeft te zijn. Voor Herr is het ook een persoonlijke strijd: hij verloor meer dan dertig jaar geleden namelijk zelf zijn beide benen.

Blizzard

Lange tijd zag het er niet naar uit dat er voor Hugh Herr een briljante carrière als wetenschapper was weggelegd. Op school was hij een middelmatige leerling en een studie aan de universiteit was zowat het laatste waar de telg uit een Mennonitisch boerengezin in Pennsylvania aan dacht. Zijn grote passie was rotsklimmen, een discipline waarin hij een natuurtalent bleek. Op jonge leeftijd nam hij routes die zelfs voor veel ervaren klimmers veel te moeilijk en gevaarlijk waren. In 1982, Herr is dan zeventien en bekend als een van de beste klimmers van de oostkust, gaat het echter serieus mis. Tijdens een klimtocht op de beruchte Mount Washington in New Hampshire worden Herr en zijn makker verrast door een verschrikkelijke blizzard. De twee raken gedesoriënteerd, Herr valt in een rivier, en drie dagen proberen ze in temperaturen tot min dertig graden te overleven in een hol in de sneeuw. Ze worden net op tijd gevonden, maar de tol is zwaar: bij Herr moeten door bevriezing beide onderbenen worden geamputeerd.

Hugh Herr is er de man echter niet naar om bij de pakken te blijven neerzitten. Tijdens zijn revalidatie denkt hij maar aan één ding: hij wil zo snel mogelijk weer klimmen. Maar wanneer hem protheses moeten worden aangemeten, wacht hem een schok.

"De modellen die ik paste, zaten allemaal even slecht", zei hij daarover. De logge, onpraktische protheses uit die tijd verschilden eigenlijk weinig of niks van de dingen die honderd jaar tevoren al werden gebruikt. "Ik kon niet geloven dat de wetenschap in het tijdperk van computers en ruimtetuigen echt niks beters kon verzinnen."

De bergen als lab

Herr besloot dan maar om zijn eigen protheses te maken. Hij begreep al vlug dat het niet nodig was dat zijn vervangbenen en -voeten een getrouwe imitatie waren van echte benen en voeten, maar dat hij best naar een zo gemakkelijk en efficiënt mogelijk ontwerp streefde.

Terwijl hij met zijn protheses experimenteerde - hij beschouwt de bergen als zijn eerste lab - ontdekte Herr dat hij met zijn zelfgemaakte benen sneller en hoger kon klimmen dan vroeger met zijn biologische onderstel. Zijn flexibele en puntige voeten kon hij in nauwe spleten wrikken die voor een gewone voet veel te smal waren. Hij kon klimijzers voor een betere grip hanteren, de buigzaamheid van het materiaal aanpassen en zelfs zijn eigen lengte naar wens veranderen.

"Als ik me niet goed voelde, maakte ik mezelf wat groter, zodat mijn zelfvertrouwen werd opgekrikt", grapt Herr daarover in zijn TED-speech. "Als ik zelfverzekerd genoeg was, deed ik er wat centimeters af, gewoon om mijn tegenstanders ook een kans te geven."

Andere competitieklimmers lieten zich in die tijd weleens cynisch ontvallen dat ze beter óók hun benen zouden laten amputeren en door prothesen vervangen. Herr ziet het nog altijd als een kleine triomf. Verder onthoudt hij uit die periode dat hij dankzij technologie beter en sterker is geworden in zijn sport.

Zijn passie voor protheses deed hem alsnog aan de universiteit belanden. Hij werd naar het MIT gehaald, waar hij zijn studie werktuigbouwkunde voltooide, en doctoreerde daarna in Harvard in de biofysica. Ondertussen bleef hij, terwijl de patenten zich opstapelden, naarstig sleutelen aan een steeds breder en gesofisticeerder assortiment kunstvoeten, -enkels en -knieën. In 2007 richt hij het bedrijf BiOM op, om met de nieuwste wetenschappelijke inzichten en technologie de protheses van de 21ste eeuw, en als het even kon die van de toekomst, te ontwikkelen.

Lange tijd toonden wetenschappers en ingenieurs weinig of geen interesse voor het vakgebied, ook al omdat het niet simpel was om fondsen te verzamelen voor onderzoek. Het gevolg was dat de sector in een vorig tijdperk was blijven steken. De belangrijkste vernieuwing was het gebruik van koolstofvezel in plaats van rubber, hout en plastic. Voor BiOM lag de weg, kortom, breed open. Door de vele veteranen die verminkt waren teruggekeerd uit de oorlogen in Irak en Afghanistan, had het Amerikaanse Congress miljoenen dollars voor research vrijgemaakt, dus aan geld was er ondertussen ook geen gebrek.

PowerFoot

Het eerste prototype van Herrs nieuwe bedrijf is de PowerFoot BiOM, een computergestuurde onderbeenprothese die middels elektronica de werking van spieren en pezen nabootst, en de eerste prothese die motorisch is aangedreven. Een enorm verschil met de bestaande prothesen, die de gebruiker met eigen spierkracht moest verplaatsen, vaak met allerlei fysieke klachten tot gevolg. De PowerFoot kan daarentegen energie opslaan en (gecontroleerd) weer vrijgeven, waardoor de gebruiker bij elke stap een zetje krijgt. Een batterij microprocessoren en sensoren die allerlei krachten, snelheden en posities uit de resterende beenspieren van de gebruiker oppikt en naar de elektronica in het onderbeen doorstuurt, zorgt voor een zo natuurlijk mogelijke beweging. En voor een grote stabiliteit: iemand met twee BiOM-protheses kan zonder problemen een heuvel oplopen of over ruw terrein stappen.

Ondertussen is er al een nieuwe en verbeterde versie van de PowerFoot: de BiOM T2. Het is met zo'n model dat Adrianne Haslet-Davis haar rumba danste.

Wat Herr vooral mooi vindt, is de interactie tussen het systeem en de gebruiker: "Bij elke stap die ik zet, is er een uitwisseling van informatie, van energie en van krachten tussen mijn biologische en mijn artificiële ik. Het systeem registreert mijn biologische houding en speelt daarop in. Mijn biologische been drukt erop, en het drukt terug in een gezamenlijke, feilloze dans tussen vlees en machine."

Oorlogsveteranen

Herr zou zijn protheses graag beschikbaar maken voor alle patiënten die ze nodig hebben, maar dat blijkt vooralsnog niet zo eenvoudig. Intussen zijn er een kleine duizend BiOM-systemen verspreid, de helft daarvan onder oorlogsveteranen. Een groot obstakel blijft de prijs. Een T2 kost 30.000 euro: het kapitaalkrachtige Amerikaanse leger telt dat zonder problemen neer, maar veel zorgverzekeraars zijn voorlopig niet geneigd om het terug te betalen.

Herr is de zaak al tot in het Congress gaan bepleiten: hij erkende voor een comité dat de apparaten duur zijn, maar wees ook op de preventieve voordelen ervan. Zorgverzekeraars betalen zich nu blauw aan pijnstillers, behandelingen tegen artrose en andere dure middelen om de neveneffecten van klassieke protheses te verlichten.

Het aantal mensen dat met de nieuwe technologie geholpen zou kunnen (en volgens Herr moeten) worden, is alvast enorm: in de VS komen er elk jaar 36.000 nieuwe amputatiepatiënten bij (enkele honderden daarvan soldaten). Wereldwijd zijn er twintig miljoen geamputeerden die geen toegang hebben tot protheses en met een veel grotere beperking door het leven moeten dan eigenlijk nodig is. Herr heeft er zijn missie van gemaakt om daar iets aan te doen.

Ook al is de BiOM T2 een gigantische sprong voorwaarts ten opzichte van de oude protheses (een proefgebruiker vergeleek het met het verschil tussen een fiets en een Ferrari), het systeem valt volgens Herr nog op veel punten te verbeteren: "Het is ongelooflijk moeilijk om een prothese te bouwen die even veelzijdig is als het menselijke been. Zoals iedereen thuis een aantal paar schoenen in de kast heeft staan, heb ik een reeks benen. Ik heb een paar benen om te joggen, om mee te klimmen... Ik heb ongeveer acht paar. Het is de grote uitdaging om een artificieel been te maken waar je dat allemaal mee kan. Geen eenvoudige klus. We zijn erin geslaagd om min of meer de werking van een enkel te imiteren voor iemand die gewoon stapt of loopt. Maar als iemand wil gaan trekken in de bergen of dansen - niet-repetitieve activiteiten, kortom - dan zitten we met een serieus probleem."

De batterij die het systeem aandrijft, kan ook krachtiger. Nu kan je met de T2 drieduizend stappen per dag doen. Dat zou beter kunnen, maar een kunstmatig equivalent vinden voor de energievoorziening van het menselijk lichaam is volgens Herr geen sinecure.

Een ander probleem is dat machines zichzelf niet kunnen herstellen. Een machine bouwen die tachtig jaar meegaat zonder dat je ze hoeft te repareren, is volgens Herr nog verre toekomstmuziek.

Sturen met hersenen

Wat de volgende stap moet zijn, is voor Herr al duidelijk. In zijn lab wordt volop geëxperimenteerd met protheses die direct op het zenuwstelsel, en dus op het brein van de gebruiker zijn aangesloten. Herrs huidige systeem heeft artificiële intelligentie, maar er is nog geen rechtstreekse communicatie met het lichaam.

Binnen tien jaar, schat Herr, zullen prothesen met het zenuwstelsel verbonden zijn en kan je je been wel met je hersenen sturen. Door die directe verbinding zal de prothese veel preciezer worden aangestuurd, maar kan ze ook sensorische informatie terugsturen naar het zenuwstelsel, waardoor mensen echt gevoel zullen krijgen in hun synthetische been. Volgens Herr wordt dat een belangrijk omslagpunt: "Als geamputeerden het gras tussen hun artificiële tenen kunnen voelen, zal dat de manier waarop we naar dit soort technologie kijken fundamenteel veranderen. Protheses zijn dan niet langer levenloze mechanismen die losstaan van je lichaam, maar echt een deel van jezelf. De grens tussen mens en machine zal worden opgeheven."

Bionica kan het leven van mensen met een beperking ingrijpend verbeteren, maar Herr ziet ook toepassingen voor mensen zonder handicap. "Op motorisch vlak is het menselijk lichaam in veel opzichten ronduit indrukwekkend", stelt Herr. "Maar onze spieren zijn een heel ander verhaal. Als ze werk verrichten, gaat liefst 75 procent van de energie verloren aan warmte. We zijn dus redelijk inefficiënt, maar ook traag en niet bijzonder sterk. Dat zijn zwaktes die met bionica makkelijk verholpen kunnen worden."

Bijvoorbeeld met het exoskelet, een brace van glasvezel die aan de benen kan worden bevestigd, ontwikkeld in Herrs lab. Het is het eerste exoskelet dat de passen van de gebruiker versterkt. Joggers zouden het kunnen dragen om hun spieren en skelet minder te belasten, bouwvakkers of soldaten om zwaardere lasten te kunnen torsen of langer en sneller te stappen met een loodzware rugzak op hun rug. "Mensen die het exoskelet veertig minuten dragen en het dan uitdoen", zegt Herr, "vinden hun eigen benen plots belachelijk zwaar en onhandig".

Het is volgens Herr maar één van de vele technologische hulpstukken waar de mens in de toekomst gebruik van zal maken: "De toepassingen zijn eindeloos. Ik denk ook aan een elektronisch 'spinnenpak' waarmee je tegen muren kan opklimmen. Of artificiële vinnen waar je sneller mee kan zwemmen."

Herr is in het bijzonder gefascineerd door de mogelijkheden van de bionische 'huid' die het lab heeft ontworpen om protheses aan het resterende been van de patiënt te bevestigen. Hoe slim en inventief de mens ook is, in dingen die aan ons lichaam bevestigd moeten worden, zijn we gewoon hopeloos slecht, vindt Herr. Als voorbeeld verwijst hij graag naar de schoen: "Het is een van de oudste uitvindingen van de mens, en toch slagen we er nog altijd in schoenen te maken waar je blaren van krijgt. Dat is toch onvoorstelbaar? In de toekomst zullen robotten je voeten scannen, en krijg je een perfect op maat gemaakte schoen die ook nog eens vol sensoren en elektronica zit, die ervoor zorgen dat je bionische schoeisel zich voortdurend aanpast - bijvoorbeeld soepeler of steviger wordt - aan de positie en de beweging van je voet. Blaren zal je er niet meer van krijgen."

Sciencefiction

Ook voor andere kleding - hemden, broeken, ondergoed en zelfs beha's - zou bionische huid gebruikt kunnen worden.

Herr is er vast van overtuigd dat bionica in de toekomst gewoon tot het dagelijks leven zullen behoren: "Over minder dan twintig jaar zal je overal mensen met bionica zien. Het zal zo normaal zijn als vandaag het dragen van contactlenzen of een bril."

Mocht het allemaal wat sciencefictionachtig in de oren klinken: pas echt spectaculair zijn de activiteiten van het Center for Extreme Bionics, een nieuwe afdeling die Herr binnen het MIT Media Lab oprichtte en waar men zich bezighoudt met experimentelere vormen van bionica. Men doet er onder andere onderzoek naar de werking van het brein, dat volgens Herr tot nieuwe behandelingen kan leiden: "We bekijken hoe psychische stoornissen niet met chemische stoffen maar met elektrische impulsen kunnen worden behandeld. De laatste decennia zijn er verschillende studies verschenen over diepe hersenstimulatie. Daarbij worden bepaalde gebieden van het brein elektrisch gestimuleerd om bevingen - bijvoorbeeld bij Parkinsonpatiënten - te verlichten of te stoppen, maar ook om depressies te milderen. Stemmingsstoornissen worden nu nog altijd farmacologisch behandeld. Het komt er eigenlijk op neer dat je een uiterst complexe en gevoelige computer volpompt met chemische stoffen met een werking die niet specifiek genoeg is, waardoor je een hoop vervelende neveneffecten krijgt."

Volgens Herr zullen behandelingen van dit soort aandoeningen in de toekomst veel gerichter gebeuren. Met elektrische impulsen kan je namelijk veel beter de juiste cellen behandelen, en blijven de cellen die goed functioneren buiten schot.

Zelf concentreert Herr zich vooral op de perifere zenuwen

(die verbindingen vormen van en naar de organen, en het centrale zenuwstelsel). Als zijn team krijgt uitgezocht hoe die precies werken, hoe je er informatie uit kan halen en in kan stoppen, kan hij zijn protheses rechtstreeks op het brein aansluiten. Maar het zou ook kunnen leiden tot een nieuwe behandeling van schizofrenie, depressie en allerhande cognitieve stoornissen.

Ethische dilemma's

Herr beseft maar al te goed dat het vervagen van de grens tussen mens en machine, het herstellen en/of verbeteren van het lichaam, maar ook van het brein, allerlei ethische vragen oproept. Na de oprichting van het CEB stelde hij dan ook een raad van filosofen, advocaten en wetenschappers samen die de impact en de gevolgen zal bekijken van de technologische vernieuwingen die ons te wachten staan.

"Dat we invaliditeit wellicht nog deze eeuw helemaal uit de wereld zullen helpen, is natuurlijk zeer mooi", zei Herr daarover, "maar de ingrijpende manier waarop deze technologie de wereld zal veranderen, brengt ook serieuze risico's met zich mee. We moeten bekijken hoe we daarmee zullen omgaan."

De ethische kwesties en dilemma's die op ons afkomen, zijn alvast niet min: laten we een beschadigd been in de toekomst nog medisch behandelen of vervangen we het beter meteen door een bionisch exemplaar? Hoeveel elektronische vervangstukken kunnen we in een mens steken voor hij ophoudt een mens te zijn? Staan we, zoals Arnie, straks allemaal voor de badkamerspiegel ons bionische oog te repareren?

Sommige critici wijzen er dan weer op dat dit soort (zeer dure) technologie wordt geïntroduceerd in een wereld waarin grote financiële ongelijkheid bestaat. Het is niet ondenkbaar dat alleen de rijken het zich zouden kunnen permitteren om hun lichamelijke en geestelijke capaciteiten een bionische boost te geven, waardoor de kloof tussen arm en rijk er ook één tussen een (verbeterde) hogere en een lagere mensensoort zou kunnen worden.

Het zijn doemscenario's waar Herr allemaal niet in gelooft. De bionische wereld van morgen blijft voor hem vooral een betere wereld.

Hoe kan je tegen een maatschappij zijn waarin niemand zich nog invalide hoeft te voelen? En artificiële lichaamsdelen zullen niet alleen het leven van vele mensen aanzienlijk verbeteren. Ze zullen zo goed worden dat mensen ze vaak boven biologische lichaamsdelen zullen verkiezen. Zeker op latere leeftijd. Herr illustreert het graag als volgt: "Stel, je bent zestig en iedere ochtend raak je nauwelijks uit bed, omdat je gewrichten stram zijn. Je even oude buurman staat echter elke morgen fluitend op met bionische benen die hij jaarlijks upgradet en hem het gevoel geven dat hij achttien jaar is. Wat zou jij doen?"

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234