Querschnittgelähmter im Exoskelett tritt den ersten Ball der Fußball-WM 2014

Am ersten Tag der Fußballweltmeisterschaft blickte die Welt auf Brasilien und sah, wie ein Querschnittgelähmter den ersten Ball der WM 2014 trat – mithilfe eines gedankengesteuerten Roboteranzugs. Weit davon entfernt alltagstauglich zu werden, sind Exoskelette heute also auf jeden Fall eins: integriert ins Weltgeschehen.

Prof. Gordon Cheng mit CellulARSkin (l.) und mit Exoskelett (r.)

Prof. Gordon Cheng mit CellulARSkin (l.) und mit Exoskelett (r.)

Das Walk-Again-Projekt ist eine internationale Zusammenarbeit von mehr als hundert Wissenschaftlern um Prof. Miguel Nicolelis von der Duke University in den USA und dem Internationalen Institut für Neurowissenschaften von Natal in Brasilien. Prof. Gordon Cheng, der Leiter des Instituts für Kognitive Systeme an der Technischen Universität München (TUM), ist einer der führenden Köpfe.

Hirnsignale steuern Exoskelett

Acht brasilianische Männer und Frauen im Alter von 20 bis 40 Jahren, die von der Hüfte abwärts gelähmt sind, trainieren seit Monaten den Umgang mit dem Exoskelett. Das System zeichnet die elektrische Hirnaktivität des Patienten auf und erkennt dessen Absicht – einen Schritt zu machen oder einen Ball zu kicken  – und  übersetzt sie in Aktion. Außerdem gibt es dem Patienten taktile Rückmeldung mittels einer sensitiven, künstlichen Haut, die in Chengs Institut entwickelt wurde. „Unser Gehirn ist sehr anpassungsfähig wenn es darum geht, körperliche Fähigkeiten durch die Verwendung von Werkzeugen zu erweitern“, sagt Cheng. „Nach dem Kyoto-Experiment 2008, bei dem Nicolelis einen Affen auf einem Laufband gehen und ich mit Hilfe von dessen Hirnsignalen einen humanoiden Roboter  zum Laufen brachte, waren wir uns sicher, dass das Gehirn auch einem gelähmten Körper mittels eines externen Körpergerüsts helfen könnte wieder zu gehen.“ Es war allerdings klar, dass technische Fortschritte nötig wären, um ein relativ kompaktes und leichtes Außenskelett zu konstruieren. Außerdem würde visuelles Feedback allein nicht ausreichen: Für die Steuerung des Exoskeletts und ein besseres Sicherheitsgefühl des Patienten wäre zusätzlich der Tastsinn erforderlich. Die Herausforderung war also, einem gelähmten Menschen nicht nur die Fähigkeit zum Gehen zu geben, sondern zugleich das Gefühl, den Boden zu berühren.

Eine vielseitige Lösung

CellulARSkin: Beliebig viele Zellen können in einem bienenwabenförmigen Muster miteinander vernetzt werden.

CellulARSkin: Beliebig viele Zellen können in einem bienenwabenförmigen Muster miteinander vernetzt werden.

Als Cheng im Jahr 2010 an die TUM wechselte, legte er einen  Forschungsschwerpunkt seines  neugegründeten Instituts darauf, die Technik der taktilen Wahrnehmung für robotische Systeme voranzutreiben. Das Ergebnis, CellulARSkin, bietet ein Konzept für ein robustes und selbstorganisierendes Netzwerk von Sensoren. Es kann mit standardisierten, weithin verfügbaren Hardwarekomponenten implementiert werden und wird künftig von Verbesserungen hinsichtlich Größe, Leistungsfähigkeit und Kostensenkungen profitieren. Die Basiseinheit ist ein flaches, sechseckiges Paket elektronischer Komponenten, das einen energiesparenden Mikroprozessor enthält sowie Sensoren, die Berührungsnähe, Druck, Vibration, Temperatur und sogar Bewegung im dreidimensionalen Raum erfassen. Beliebig viele dieser „Zellen“ können in einem bienenwabenförmigen Muster miteinander vernetzt werden – im derzeitigen Prototyp geschützt durch eine gummiartige Formhaut aus Elastomer. „Nicht nur die Sensoren sind wichtig“, sagt Cheng. „Die Intelligenz der Sensorik ist sogar noch wichtiger.“ Die Zusammenarbeit der Sensorzellen untereinander und mit dem Zentralsystem erlaubt CellulARSkin, sich für spezifische Anwendungen zu rekonfigurieren und sich von bestimmten Arten von Schäden automatisch zu erholen. Diese Funktionalität ermöglicht eine intelligentere, sicherere Interaktion von Maschinen mit Menschen und kann wirtschaftlichen bzw. industriellen Interessen dienen.

CellulARSkin: Künstliche Haut für Roboter

CellulARSkin: Künstliche Haut für Roboter

Im Walk-Again-Projekt wird CellulARSkin auf zweierlei Arten verwendet. In das Exoskelett integriert, beispielsweise an den Fußsohlen, sendet die künstliche Haut Signale an kleine Motoren, die an den Armen des Patienten vibrieren. Durch Training mit dieser Art der indirekten sensorischen Rückmeldung kann ein Patient lernen, die Roboter-Beine und Füße in seine eigenen Körperschemata zu integrieren. CellulARSkin wird außerdem um bestimmte Körperteile des Patienten gewickelt, um dem medizinischen Team eventuelle Anzeichen von Stress oder Unbehagen zu übermitteln.

Ein Meilenstein, aber „nur der Anfang“

„Ich vermute, dass manche den Weltcup-Auftakt als den Schlusspunkt einer Entwicklung sehen werden“, sagt Cheng, „aber in Wirklichkeit ist es nur der Anfang. Dies mag ein wichtiger Meilenstein sein, aber es gibt noch sehr viel mehr zu tun.“ Er sieht die Veranstaltung als öffentliche Demonstration, was Wissenschaft für die  Menschen tun kann. „Außerdem sehe ich es als große Anerkennung für die Tapferkeit und harte Arbeit der Patienten!“

Anstoß verpasst?

Hier geht’s zum Video (in englischer Sprache): Kick off World Cup

Fragen & Kommentare

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  1. grisu 17.06.2014, 18:14 Uhr

    Interessante Erfindung, ob sie allerdings wirklich zu erträglichem Preis Querschnittler zum gehen bringen kann möchte ich bezweifeln.
    Ausserdem: Was wurde aus dem Affen vom Laufband, lebt der noch irgendwo oder wurde er getötet?

    • Tanja Konrad 18.06.2014, 10:41 Uhr

      Guten Tag Grisu,

      die Preise für Exoskelette sind tatsächlich exorbitant (siehe: Exoskelette – Schritte in die Zukunft) – für den indischen Entwurf hat sich unseres Wissens noch kein Hersteller konkret interessiert – und zum jetzigen Zeitpunkt sind sie weder in Deutschland, Österreich noch der Schweiz als Hilfsmittel zugelassen, d. h. sie werden nicht von den Leistungsträgern bezahlt. Entsprechende Anträge der Herstellerfirmen laufen (siehe: Exoskelett – Rewalk ).

      Was mit dem Affen (dem keine Rückenmarksverletzung zugefügt worden war) aus Miguel Nicolelis‘ Versuch geschehen ist, wissen wir nicht. Generell jedoch werden Versuchstiere nach Ablauf der medizinischen Studie, für die sie verwendet werden, aus u.a. wirtschaftlichen Gründen getötet.

      Viele Grüße
      Tanja Konrad