‘Je kunt niet twee keer verrast worden’

In Zwitserland gaat u naar het dal Val Ferret. Wat is daar te beleven?
“De groep heeft daar hightech apparatuur neergezet die variabelen meet op kleine schaal. Ze meten sneeuwdieptes, regenval en windpatronen en proberen daar modellen van te maken.”

Is het vergelijkbaar met het project Climate City Campus dat de TU-wijk wil gebruiken als proeftuin voor het stadsklimaat?
“Precies. Mijn professor Nick van de Giesen is op sabbatical geweest bij die groep in Lausanne. Ze zijn allebei voorstander van het doen van meer metingen. En dan is het logisch om in één gebied te beginnen en daar alles uit de kast te halen.”

Maar wat te doen met al die data?
“Er is een verschil tussen data en informatie. Je kunt heel veel data hebben, maar als er weinig verschil tussen zit geeft dat niet meer informatie. Onafhankelijke data bevat meer informatie, dus twee regenmeters zet je niet naast elkaar, maar liefst de ene in het dal en de andere op de berg.”

Ik neem aan dat de onderzoekers hun apparatuur weloverwogen plaatsen, maar hoe zorg je dat je niet verdrinkt in de gegevens?
“Dat is precies wat ik onderzoek. Je hebt een berg data, maar slechts een deel bevat informatie.”

Hoe weet je welk deel dat is?
“Dat hangt af van in hoeverre je het van te voren kon verwachten. In Shannons informatietheorie heet dat ‘surprisal’. Als ik zeg ‘ik ga morgen eten’ en je ziet mijn postuur, dan levert je dat weinig informatie op omdat het overeenstemt met je verwachting. Als ik zeg dat er morgen buitenaardse wezens landen om ons te waarschuwen voor klimaatverandering, is dat wel verrassend.”

Hoe gaat u dat toepassen in Lausanne?
“Er is een informatiestroom vanaf de metingen, door een wiskundig model dat een voorspelling berekent, bijvoorbeeld over de te verwachten waterstanden. Die voorspelling gaat naar mensen die beslissingen nemen. Uiteindelijk wil je dat in die data-stroom zoveel mogelijk informatie van de observatie de beslissing bereikt en het liefst de meest relevante informatie.”

Maar hoe doe je dat?
“Je wilt zoveel mogelijk kans toekennen aan wat echt gaat gebeuren. Als je een goede voorspelling hebt gehad ben je weinig verrast over wat er gaat gebeuren. Maar is de voorspelling slecht, dan raak je verrast door de gebeurtenis. Je wilt dus voorspellingen maken waarmee je verrassingen kunt voorkomen.”

Maar dat doe je juist met data die zoveel mogelijk verrassen.
“Precies. Van te voren wil je zoveel mogelijk verrast worden door de informatie in de voorspelling, zodat de verrassing als het daadwerkelijk gebeurt zo klein mogelijk is. Want je kunt niet twee keer over hetzelfde verrast zijn.” 

Steven Weijs, ‘Information Theory for Risk-Based Water System Operation’, 1 april 2011

You may be surprised by how human walking will be improved within the next ten years, predicts dr Steven Collins, who has recently been offered a post as a professor of biomechatronics at Carnegie Mellon University (US). Not only will athletes like Oscar Pistorius outrun their able-bodied colleagues on super springy artificial legs, but special spring-powered shoes will make walking easier for all of us.

“The basic mechanics of walking are the same for both humans and robots, like Denise or Flame”, says Collins, a postdoc at the faculty of Mechanical, Maritime and Materials Engineering’s BioRobotics Laboratory. “In the simplest model you describe walking as a mass moving on top of a leg, like an inverted pendulum, with the foot acting as a pivot. The swing phase in which the weight moves forward over the foot doesn’t cost any energy, but switching from one leg to the other does require work, because energy is lost in the collision when the foot of the other leg hits the ground.” So although in theory moving along at a slow and constant speed requires no energy, it is the energy that got lost in transitioning between steps that causes an energy drain that needs to be replenished. And like humans, the walking robots developed by TU Delft do that with powered ankles. “The ankle pretty much does all the push-off, since that’s the most effective way”, Collins explains.

Last month he published an article (in PLos ONE, 17 February 2010) on how humans walking using a prosthesis can be improved by much the same technique that propels the robots: storing energy in the ankle when the foot first hits the floor and then re-using it at push-off.

Collins and his co-author, Arthur Kuo, of the University of Michigan, have developed a unique artificial foot that uses a spring to buffer the energy in walking. In their article they clearly explain how it works: “When the heel contacts the ground at the beginning of a stride, the rear-foot component rotates and compresses a coil spring. At maximum compression, the rear-foot is latched by a continuous one-way clutch. Rather than releasing the spring energy spontaneously, our prosthesis stores it until sufficient load is detected on the forefoot. It then releases the forefoot, and the spring provides push-off as the person begins to unload the trailing leg, with timing similar to normal ankle push-off. A small return spring resets the device during the ensuing swing phase, so that the rear-foot is in position for the next step.”

The two researchers tested the device on eleven healthy young men wearing specialized boots to disable their ankles. An artificial foot (either conventional or spring-powered) was attached under one boot, while a lift shoe was worn on the other foot to compensate for height. This enabled comparisons to be made between normal walking, conventional (passive) prosthesis use and the energy-recovering prosthesis. Energy expenditure was measured by analysing the O2 and CO2 levels in the test subject’s breath. It turned out that walking with a conventional prosthesis requires 23 percent more energy than normal walking, which is comparable to carrying a 20 kilogram load. The new prosthesis developed by Collins and Kuo reduced that figure to 14 percent more energy. The ankle push-off was restored from about 10 Watts, in the case of normal prosthesis use, to 20 Watts, which is about the normal value.
Tests are currently under way with amputees, and thus far the anecdotal evidence is good. People say they can actually feel the force from their phantom limb. Collins says that manufacturers of artificial feet (largely unchanged for the past fifty years) have reacted with interest. They are keen to implement his energy-recovering technology. “Problems applying this technology are not so much technical as procedural”, Collins concludes.
Nevertheless he expects commercial availability within five years.