Baanbrekende innovaties: als toonaangevend onderzoeksinstituut, loopt imec in innovatiecentrum Holst Centre voorop op het gebied van on-chip sensortechnologie. Maar om het werkelijke potentieel van dergelijke technologie in de echte wereld te ontdekken, werkt imec regelmatig samen met design- en industriële partners.
Een van die partners is het in Nederland gevestigde ontwerpbureau GBO Innovation makers. In de vruchtbare en symbiotische samenwerking tussen imec en GBO, waarin grenzen tussen technologie en design verdwijnen, wordt de technologie niet alleen geschikt gemaakt voor het doel, maar bepaalt het doel ook de technologie.
De vraag
‘Bij imec doen we baanbrekend onderzoek en bedenken we allerlei innovatieve toepassingen met sensoren en chips,’ vertelt Bernard Grundlehner, Systems Architect Connected Health Solutions binnen imec in Holst Centre. ‘Het lastige is alleen dat een briljant idee niet veel waard is als blijkt dat de toepassing in de praktijk niet helemaal is wat je in gedachten had.’
‘In 2010 onderzochten we of we onze nieuw-ontwikkelde draadloze EEG-versterker konden toepassen in echte testen. Normaal gesproken worden dergelijke testen uitgevoerd door EEG-elektroden met een geleidende gel op de hoofdhuid te plaatsen. Het plaatsen van deze sensoren moet heel zorgvuldig gebeuren: dat maakt het niet alleen tijdrovend, maar het kan ook alleen door een professional worden gedaan. Bovendien moeten de elektroden, vooral bij metingen over een langere tijd, worden vastgeplakt. De elektroden worden vervolgens met draden aan een EEG-versterker verbonden. Als je deze elektroden op je hoofd hebt, beperkt dat je mobiliteit dus enorm en het kan voor behoorlijk wat ongemak zorgen.’
‘Dus vroegen we ons af, wat als we een mobiel, consumenten-achtig device zouden kunnen ontwikkelen dat professionele resultaten oplevert? We hadden de hoogwaardige sensoren die vereist zijn voor EEG-testen, maar we hadden niet de knowhow om het draagbare device dat we in gedachten hadden te ontwikkelen. Daarom klopten we bij GBO aan,’ vertelt Bernard. ‘We werkten al met hen samen – en dat doen we nog steeds – aan een aantal andere gezamenlijke projecten.’
Hoe werkt EEG?
De miljarden cellen in onze hersenen produceren zeer kleine elektrische signalen die niet-lineaire patronen vormen, hersengolven genaamd. Een EEG meet de elektrische activiteit in de buitenste hersenlaag. EEG-sensoren worden op het hoofd van een deelnemer geplaatst, waarna de elektroden op niet-invasieve wijze hersengolven van de proefpersoon detecteren. Ze kunnen binnen één seconde enkele duizenden opnamen maken van de elektrische activiteit die in de hersenen wordt gegeneerd.
Wat laat het zien?
Onze hersenen zijn voortdurend bezig informatie op te nemen en te verwerken, zelfs tijdens de slaap. Al deze activiteit genereert elektrische signalen die door de EEG-sensoren worden opgepikt. Hierdoor kunnen veranderingen in hersenactiviteit worden geregistreerd, ook als er geen zichtbare reactie in gedrag is, zoals een beweging of gezichtsuitdrukking. De resultaten kunnen helpen emotionele gesteldheden te identificeren die worden beïnvloed door externe stimuli.
De uitdaging
‘Imec heeft geavanceerde sensoren die bij uitstek geschikt zijn om de elektrische activiteit van de hersenen vast te leggen, zelfs door het haar heen, met droge elektroden waar geen geleidende gel voor nodig is. Maar de uitdaging was dat de sensoren op een zorgvuldige, veilige manier op het hoofd geplaatst moesten worden, zonder enig ongemak voor de patiënt. Omdat geen hoofd hetzelfde is, moesten we eerst uitgebreid onderzoek doen hoe we tot een one-size-fits-all oplossing zouden kunnen komen,’ licht Jacques Gramser, Director bij GBO toe.
Bernard: ‘Toen GBO erin was geslaagd een eerste, vrij technisch, prototype te ontwikkelen, ging imec in zee met een consortium van Japanse onderzoekspartners om een headset te ontwikkelen voor gebruik bij onderzoek naar het meten van emoties en cognitieve processen. De headset moest de look & feel van een consumentenproduct hebben. Hij moest comfortabel zitten en op verschillende hoofdmaten en -vormen passen.’
Jacques: ‘We waren ons heel erg bewust dat – zoals het gezegde luidt – je nooit een tweede kans krijgt om een eerste indruk te maken! En we wisten dat de eerste indruk (en de functionaliteiten) van wat een uiterst professionele wearable met een consumenten-achtige look & feel moest zijn, voor onze cliënt een kwestie van ‘nu of nooit’ zou zijn. We hadden een prototype, maar dit was een unieke kans om ons design naar een hoger niveau te tillen!’
Wat de designers en engineers van GBO Innovation makers deden
Jacques: ‘Het mooie van onze samenwerking met imec in Holst Centre – in dit project en talloze andere – is dat het een bijna symbiotische samenwerking is. De vraag aan ons was duidelijk: maak een one-size-fits-all, wearable (headset) die de drager maximaal comfort biedt, met een maximale performance met behulp van hun unieke sensortechnologie. En uiteraard moest de headset aantrekkelijk, discreet, geavanceerd en solide zijn.’
‘Een van de eerste uitdagingen waar we tegenaan liepen was in de creatieve fase,’ zo herinnert zich Bastiaan Hemmes, Product Designer bij GBO. ‘De vorm en grootte van Japanse hoofden (en schedels) is over het algemeen anders dan onze Europese hoofden. Om een headset te kunnen maken die comfortabel zou zitten bij Japanse patiënten, moesten we eerst uitgebreid onderzoek doen naar de vorm van Japanse hoofden.’
‘Ten tweede had imec zijn sensoren geplaatst in wat zij (en wij) zagen als een discreet doosje. Maar dat ‘discreet’ bleek op de minimalistische haarband die onze designers hadden bedacht enorm te zijn. Dus vroegen we imec terug te gaan naar de tekentafel.’
‘Dit resulteerde in een sensor met een innovatief en uniek borstelachtig-uitstekend oppervlak* dat door de haren van een patiënt heen duwt en zachtjes de huid daaronder raakt om nauwkeurige EEG-metingen te doen.’
Samenwerking in optima forma
Bernard: ‘Je zou kunnen zeggen dat ons werk klaar is zodra we een nieuwe innovatie hebben gerealiseerd. Zoals de uiterst gevoelige en accurate draadloze EEG-versterker. Maar de volgende stap is minstens zo belangrijk!’
Bastiaan vult aan: ‘Real-life applicaties vragen vaak om iets anders of iets aanvullends, om te zorgen dat je innovatie echt functioneel is en waarde toevoegt.’
Bernard: ‘Juist hier brengt een partner zoals GBO de samenwerking en kennis in die nodig is om een baanbrekende technologie om te zetten in baanbrekende, gevalideerde en haalbare producten. Het mooie van GBO is dat ze verdergaan dan alleen de designfase en zorgen voor ‘proof of concept’ door het product daadwerkelijk te produceren.’
De volgende stap
Met behulp van mock-ups heeft GBO de uiteindelijke vorm en het mechanisme voor de maataanpassing bepaald, als ook de gebruikersinteractiedetails, zoals de button-connector en de LEDs. Op basis van een 3D-CAD ontwerp hebben ze vervolgens met hun 3D printer een prototype geprint om verder te testen en te finetunen. De mock-ups zijn in Japan ook getest op Japanse proefpersonen.
Op deze wijze is GBO erin geslaagd de sensorinnovatie om te zetten in een exclusieve, elegante en comfortabele wearable met een unieke elektrode-meettechnologie. Vervolgens heeft GBO een exclusieve serie EEG-headsets in gelimiteerde oplage geproduceerd.
En de toekomst?
Bernard: ‘Onze innovaties kunnen gemakkelijker worden verkocht als de voordelen en toepassingen ervan worden gedemonstreerd in een echt gebruikscase-scenario met een levensvatbaar product. Aan de andere kant: wij zijn niet in business om een eindproduct te verkopen. Wat onze samenwerking met GBO zo uniek maakt is dat – dankzij hun prijswinnende aandacht voor zowel functionaliteit als esthetiek – hun design ons helpt om te vertellen wat onze innovaties cliënten kunnen brengen. Aangezien we eigenaar zijn van alle designpatenten is een bijkomend voordeel dat als de cliënt het design mooi vindt we hem zowel de techniek als de blauwdruk voor een eindproduct kunnen bieden.’
Bastiaan: ‘Meestal wordt onze vrijheid als designers beperkt door merkrichtlijnen of andere producteisen. In onze samenwerking met imec krijgen we de maximale vrijheid om te ontwerpen en te helpen met hun technologie waarde toe te voegen aan real life toepassingen. In het geval van de hoofdband, waren we vastbesloten een iconisch design te maken voor imec’s Japanse cliënt. En tegelijkertijd een design dat zo ingenieus is dat het gemakkelijk kan worden aangepast om te gebruiken voor andere meetdoeleinden.’
Bernard: ‘Ook voor andere toepassingen van sensortechnologie in consumentachtige wearables, zoals een horloge en een bril, werken we hen samen. En nu zijn we aan de slag met het creëren van een zogenaamd ‘investigational’ device. Wij bewegen ons hierbij op het snijvlak van design en klinische studies. Het doel daarbij is het maken van een minimalistische wearable die patiënten maximaal comfort biedt, terwijl clinici kunnen vertrouwen op bewezen sensortechnologie.’
