28 September 2007

Robotica is the next big thing en Nederland dreigt de boot te missen, denkt UT-hoogleraar Advanced Robotics Stefano Stramigioli. Op korte termijn zal de medische wereld robotica omarmen. Ook Mems staan op het punt door te breken. En aan de horizon staan de humanoïde robots te trappelen. De van oorsprong Italiaanse prof wil het tij keren via onderzoek, samenwerking met bedrijfsleven en het enthousiast maken van studenten. ’Er komen regelmatig studenten langs die al jaren geleden hun keuze hebben gemaakt en nu toch voor robotica kiezen.‘

Dat alles bij Stefano Stramigioli om robotica draait, blijkt alleen al uit zijn werkkamer: robotmodellen staan op tafel en kast – een ervan bouwde hij voor zijn eindexamen – en op zijn bureau ligt het blad Robotics and Automation Magazine van de IEEE, waar hij hoofdredacteur van is. Stramigioli werd twee jaar geleden benoemd tot hoogleraar Advanced Robotics aan de UT, binnen de vakgroep meet- en regeltechniek. Samen met het bedrijfsleven en de universiteit droomt hij hardop van allerhande robotonderzoek. ’Er zijn drie onderzoekslijnen die ik wil voortzetten: medische robotica, microrobotica en humanoïde robotica. Daar wil ik ook professioneel versterking op krijgen. Voor de humanoïde kant is er een vacature en voor de medische lijn komt er binnenkort ook een. Voor de microkant heb ik nog geen open plek, maar hopelijk zal dat ook veranderen.‘

Stramigioli ziet de toepassing van deze gebieden in drie termijnen: van vijf, tien en vijftien jaar. ’De medische hoek is iets voor de korte termijn, dat willen we voorzetten tot de pre-engineeringfase. De microkant is wat langere termijn, maar je ziet daar ook duidelijk producten komen in de tijdspanne van een jaar of tien. Het allerlangst is de humanoid-kant. Humanoids zullen er niet morgen zijn, maar ze komen er, daar is geen twijfel over.‘

’Helaas is deze tijdslijn omgekeerd proportioneel aan het geld dat ik krijg. Dat vind ik een hele slechte trend. Ik hoop dat het tij zal keren, maar de ministeries zien niet hoe belangrijk robotica wordt. Het is niet dat ik dat zeg omdat het mijn vakgebied is. Het is wereldwijd erkend, bijvoorbeeld door Bill Gates, om iemand te noemen. In de richting van computers is er duidelijk een revolutie geweest. Nu kun je daar dingen opzetten die bewegen. Als je kijkt naar een land als Japan, dat investeert gigantisch veel in humanoïden. Er komen nu geen producten aan, maar over een jaar of tien lopen we verschrikkelijk achter. Maar ook in mobiele robotica en robotica in de brede zin van het woord investeren we niet genoeg. Er zou gewoon een innovatiegericht onderzoeksprogramma naar robotica moeten komen.‘

Berkeley

Stramigioli groeide op in het Italiaanse Bologna. Op de vraag waarom hij ooit naar Nederland kwam, toont hij zijn trouwring. ’Mijn toenmalige vriendin en ik hebben een tijd op en neer gereisd tussen Italië en Nederland, maar op een gegeven moment besloten we om op één plek te gaan wonen. Ik vond Nederland een leuk land. Ik had waardering voor een aantal zaken. De sociale aanpak en dat soort dingen. Die zijn de laatste tijd wat minder geworden.‘

Stramigioli studeerde in 1992 cum laude af in de elektrotechniek aan de universiteit van Bologna. In eerste instantie wilde hij zich specialiseren in telecommunicatie. Dat veranderde tijdens een Erasmus-periode in Sussex.

Stefano_Stramigioli_1

In Nederland ging Stramigioli in Twente aan de slag met een Europees project, dat echter weinig met robotica te maken had. ’Het onderwerp waar ik toen aan werkte, was niet helemaal mijn ding‘, verklaart hij. Dus vertrok hij naar Delft, waar een interessante promotieplek beschikbaar kwam op het gebied van robotica. Na zijn promotie – wederom cum laude – stroomde hij door als UD en later UHD. Maar het oosten van het land bleef lonken. ’Ik vond de regio hier leuk en ik had hele goede contacten met de Wiskunde-groep. Dus toen hier een positie vrijkwam als UHD, heb ik die aangegrepen. Ik heb er nog nooit spijt van gehad.‘

Twee jaar geleden beloonde de UT hem met het persoonlijk hoogleraarschap Advanced Robotics. Sindsdien timmert hij hard aan de weg. Zijn subgroep bestaat binnenkort uit twee UD‘s, zeven aio‘s en ongeveer tien afstudeerders. ’Ik werk me te pletter, maar robotica is ook gewoon een leuk vakgebied dat heel erg aanspreekt. Het gebeurt regelmatig dat er een student bij me langs komt die al jaren geleden een andere richting heeft gekozen, maar toch bij mij terechtkomt. Hele goede studenten trouwens. De eerste, Vincent Duindam, was nog in Delft, die is cum laude afgestudeerd. Daarna is hij bij mij cum laude gepromoveerd. Nu zit hij in Berkeley.‘

Stramigioli is ook actief als strategic research officer van het Impact-onderzoeksinstituut van de UT en hij schreef mee aan het strategisch plan voor het 3TU-centre of excellence voor intelligente mechatronische systemen. Ook is hij actief op verschillende terreinen van de Robotics and Automation Society van de IEEE, onder meer als hoofdredacteur van het tijdschrift en als advisory board member.

Stramigioli borrelt over van de ideeën. Als enige op de universiteit heeft zijn groep een geautomatiseerd aanmeldsysteem met behulp van vingerafdrukken. De volgende stap is een mobiele robot die de medewerkers moet herkennen. ’Dat willen we echt een keer doen. Gewoon een mobiele robot die hier in de gang blijft. Als er dan iemand uit de lift komt, rijdt hij ernaartoe en zegt hij: ’Hallo, welkom, kijk maar even.‘ Vervolgens kijkt diegene hem even aan, waarna hij hem herkent of niet. Het platform hebben we en in feite bestaan de bouwblokken al. Het is alleen een kwestie van prioriteiten.‘

Ander idee: een actuator die energie kan opslaan. ’Als je een trap oploopt en daarna weer af, verbruik je als mens twee keer energie. Maar een machine zou de energie kunnen terugwinnen. Dat concept heb ik al. Voor een efficiënte machine gebruik je een reductie om de kracht van een motor om te zetten. Maar een grote reductie betekent dat de motor niet back-driveable is: om de andere kant op te bewegen, moet je de motor de andere kant op draaien. Dat betekent dat je energie verstookt bij alles wat je ook doet. Een veer slaat energie op, die krijg je gewoon weer terug. Een demper dissipeert de energie juist. Wat ik dus wil doen, is een element dat zich gedraagt als een demper, maar eigenlijk een veer is. Dat kan met een continue variabele transmissie, dat heb ik al aangetoond.‘

Ergonomisch

In de nabije toekomst, de termijn van vijf jaar, ziet Stramigioli een grote rol weggelegd voor robotica in de medische hoek. In een hal op de campus sleutelt een van zijn promovendi aan een exoskelet voor rehabilitatietoepassingen van bijvoorbeeld beroertepatiënten. ’Waar we verder de komende jaren op willen gaan inzetten, is een nieuwe technologie genaamd Nos, ofwel natural orifice surgery. Er is de afgelopen jaren een trend geweest naar minimaal invasieve operaties en endoscopie. De voordelen zijn duidelijk, zoals sneller herstel en minder infecties. Maar het zou nog beter zijn als je via een natuurlijk opening naar binnen gaat en daar een incisie maakt. Endoscopie is niet zonder gevaar. Je kunt bijvoorbeeld organen of weefsel raken bij het naar binnen gaan; je beweegt niet in de richting waar je op kijkt. Bij Nos beweeg je wel in de richting van de camera‘s. Ook zou het herstel sneller zijn en de pijn veel makkelijker te behandelen, want je beschadigt geen spieren en het is veel lokaler.‘

Stramigioli denkt dat robotica op dit gebied een grote ondersteunende rol kan gaan spelen. ’Als je ziet hoe zo‘n operatie handmatig gebeurt, dan lach je je te pletter. Dat is ergonomisch gewoon nul komma nul. Om dezelfde reden gebeurt endoscopie steeds meer robotisch. Het is veel comfortabeler. Je kunt veel rustiger en langer opereren. De optische as, de werkende as en de operatierichting zijn op één lijn getrokken, dus het is veel intuïtiever. En je kunt de beweging van de hele hand gebruiken, waardoor de instrumentatie dingen mogelijk maakt die anders niet kunnen. We willen in Twente een grote massa in die richting creëren. We proberen een investeerder te vinden zodat we echt een centre kunnen neerzetten dat dat robotisch gaat aanpakken.‘

Stefano_Stramigioli_2

’Wat ik denk dat heel bijzonder is hier in Twente, is dat we Technische Geneeskunde hebben. De studenten worden 50 procent klinisch opgeleid en 50 procent technisch. Ze krijgen waarschijnlijk bevoegdheden om sommige ingrepen uit te voeren. Ze worden dus opgeleid tot interface tussen pure clinici en pure technici. Dat is uniek, iets heel anders dan Biomedische Technologie.‘

Stramigioli toont zich dan ook in zijn nopjes met de nieuwe faciliteit voor Technische Geneeskunde die de Twentse universiteit op dit moment aan het bouwen is. Over twee jaar moet dit een forse uitbreiding zijn van de huidige faciliteit. Studenten kunnen hier allerhande ingrepen oefenen met verschillende modellen en simulatoren. Uiteraard vormt dit ook een mooie proeftuin voor onderzoek. Het nieuwste speeltje is een apparaat dat in specifieke posities en richtingen weerstand uitoefent op een staafje dat de gebruiker manipuleert. Daarmee zijn force feedback-toepassingen te onderzoeken. Een probleem waar de huidige generatie operatierobots mee kampt, is dat het de chirurg aan terugkoppeling ontbreekt over de kracht die hij op het weefsel uitoefent. Daarmee is het dus makkelijk om iets te beschadigen. ’We willen dat de studenten aankomend jaar een haptische Turing-test met dit apparaat ontwikkelen‘, vertelt Stramigioli. De Turing-test is een proef voor kunstmatige intelligentie. Een stuk KI-software slaagt als een mens in een andere ruimte niet weet of hij met de computer of een ander persoon van doen heeft. In Stramigioli‘s visie moet een geblinddoekt persoon niet weten of hij het staafje tegen een echt rubberen oppervlak aanduwt of dat de computer tegengas geeft.

De combinatie van een medische en een technologische insteek is volgens Stramigioli essentieel. ’Vaak heb je fantastische technici, maar als je geen goed inzicht in de medische omgeving hebt, kun je het schudden. De Robodoc, een orthopedische robot ontworpen bij Johns Hopkins, is daar een voorbeeld van. Het was een goed product, maar de hele zaak qua bescherming en goedkeuring van de FDA hebben ze niet goed aangepakt. Als ze er direct meer clinici bij hadden betrokken, was het waarschijnlijk veel beter gegaan.‘

Robocup

Behalve aan medische systemen werkt Stramigioli‘s groep aan micro-elektromechanische systemen (Mems). Hun toepassing heeft een termijn van tien jaar, denkt de hoogleraar. Hij heeft het onderzoek eigenlijk een beetje geërfd van zijn voorganger, maar hij is er daarom niet minder enthousiast om. Trots toont hij een filmpje van een bewegende array micromotortjes voor een nieuw type geheugen. Iemand uit zijn groep is daar vorig jaar op gepromoveerd. ’We werken nu aan een Tem-stage uit monolithisch silicium. We willen eigenlijk een robotje maken van 1,5 millimeter dik met zes vrijheidsgraden. Daarmee kun je dan tomografisch een 3D-reconstructie maken van bijvoorbeeld een bacterie. Het is nog niet gelukt om het hele platform monolithisch uit silicium te maken. Die technische problemen gaan we de komende jaren tackelen.‘

Stramigioli‘s echte toekomstdroom is een humanoïde, een mensachtige robot die zich tussen de personen kan begeven en met ze kan interacteren. Waarom een humanoïde robot? ’Dat is het asymptotisch punt van een roboticus, om een machine te maken die zich als mens gedraagt. Dat is een jeugddroom. Ik ben nog altijd een beetje een kind‘, verklaart de hoogleraar. ’We willen iets dat honderd keer beter is dan de Asimo van Honda. Een robot die dus gewoon soepel kan lopen, die beweegt als een mens en die dezelfde hoeveelheid energie verbruikt. Dus niet 3 kilowatt zoals de Honda-humanoid.‘ Stramigioli is nu bezig om samen met Demcon, Philips Apptech en XSens een humanoïde-robotproject op te starten (zie ook Bits&Chips 14, 2007). ’Daarnaast zijn we in 3TU-verband een Robocup-team gestart om mee te doen met de humanoid-competitie. We willen volgend jaar al gaan spelen, dus we moeten er heel pragmatisch in zijn.‘

Maar is een humanoïde robot niet een louter academische exercitie? Stramigioli denkt van niet. ’Ken je de Aibo van Sony of de Icat van Philips? Onderzoekers hebben laten zien dat zij ouderen in verzorgingstehuizen goed kunnen ondersteunen. Dat vonden ze prachtig! Als je robots dan ook nog echt wat kunt laten doen, is dat fantastisch. Je moet dan wel iets maken dat beweegt als een mens, omdat het in een ruimte gebeurt die voor mensen is gemaakt. Je kunt wel een robot op vier poten bouwen, maar als die een boek van de bovenste plank moet halen, heb je weer een probleem. Als je een machine maakt die als mens beweegt, hoef je de omgeving niet aan te passen.‘

Stramigioli wijst ook op de fall-out van dergelijk onderzoek. ’Ken je de groep van Hugh Herr van het MIT? Een heel apart figuur, maar zeer gerespecteerd. Zijn beide benen zijn geamputeerd en hij doet zelf onderzoek naar protheses. Herr was laatst bij een conferentie over dynamic walking, en hij had daar een nieuwe, volledig gerobotiseerde voet. Daar liep hij heel comfortabel mee en dat wordt waarschijnlijk binnen een paar jaar een product.‘