Eine Hand wie Luke Skywalker
Als Luke Skywalker in „Star Wars“ eine Hand verliert, erhält er eine voll funktionstüchtige Handprothese als Ersatz. Ist das noch Science-Fiction? Ja schon, aber nicht mehr lange, wenn es nach einer internationalen Forschergruppe geht. Sie arbeiten seit vier Jahren an einer künstlichen Hand, die der menschlichen Hand möglichst nahe kommen soll.
Beim TSV Bayer Leverkusen 04 trainieren Welt- und Europameister der Leichtathletik. Auch die 20-jährige Andrea Hegen verbringt täglich mehrere Stunden in der riesigen Halle und im Kraftraum. Bei den Paralymipcs hat sie im Speerwurf schon beachtliche Erfolge erzielt. Der Leistungssportlerin fehlt seit ihrer Geburt der linke Unterarm. Um dieses Handicap auszugleichen nutzt sie beim Training und bei Wettkämpfen gleich drei unterschiedliche Prothesen.
„Fürs Laufen, das ist nur so ein länglicher Stab eigentlich, damit ich das Gleichgewicht ausgleichen kann und Schwung holen kann. Die soll nicht allzu schwer sein. Die für Medizinballwürfe und Krafttraining sind zwei verschiedene Aufsätze. Das eine ist eine Eisenklaue, die um die Hantelstange herum greift und die für die Medizinballwürfe ist wie ein Fächer. Damit der Ball reinpasst.“
Doch all die Pothesen ermöglichen keine weichen und fließenden Bewegungen. Genauso wenig, wie die so genannte Kosmetikhand, die sie im Alltag trägt.
„Die ist einfach steif und sieht halt schön aus. Man kann die Fingernägel schminken und Ringe hintun, aber die ist unbeweglich.“
Eine Hand, die wesentlich mehr kann als Ringe tragen, ist nicht nur der Traum vieler Armamputierter. Es ist auch der Traum von Forschern wie Klaus-Peter Koch vom Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik in St. Ingbert. Hier wird gemeinsam mit Forschern aus vier Nationen eine Cyberhand, also eine künstliche Hand mit Gefühl, entwickelt.
„Wir streben an, dass die Hand direkt vom Gegenüber nicht mehr als künstliche Hand erkannt wird und dass der Patient mit dieser Hand Tätigkeiten ausführen kann, die etwas diffiziler sind, wo man zum Beispiel mit dem Zwei-Finger-Griff einen Schlüssel besser greifen kann, wo man die Möglichkeit hat, eine Tatstatur zu bedienen. Dinge in dieser Art.“
Winzige Elektroden sind der Schlüssel für mehr Bewegung. Bei heutigen beweglichen Prothesen werden die Elektronen auf der Hautoberfläche oder den Muskeln angebracht. Nachteil dabei: die Elektroden verrutschen leicht und ermöglichen nur grobmotorische Bewegungen, da tiefer liegende Muskelstränge nicht erreicht werden. Die Cyberhand hingegen steuert direkt die noch intakten Enden der Nerven im Armstumpf an.
„Wir greifen bei diesem Konzept nicht direkt am Gehirn ab, sondern wir setzten unsere Elektrode am Oberarm an. Dort werden die Signale, die vom Gehirn kommen abgegriffen, übertragen zu dieser technischen Hand und führen dann zu einer Bewegung.“
Denkt der Träger der künstlichen Hand zum Beispiel daran, einen Schlüssel aufzuheben, sendet sein Gehirn entsprechende elektrische Impulse an die Nerven. Diese Signale werden dann durch die implantierten Elektroden per Funk an die Sensorenkabel und winzigen Motoren in der Prothese weitergeleitet und die Hand greift nach dem Schlüssel. Das alles ist nur möglich, betont Klaus-Peter Koch, weil in den vergangen Jahren große Fortschritte in der Entwicklung von Datenchips, Elektroden und Motoren gelungen sind.
„Der wesentliche Fortschritt der uns dahin gebracht hat, eine solche Cyberhand zu konstruieren, war die Miniaturisierung auf verschiedenen Bereichen. Das ist zum einen der Bereich der Elektrode, die an den Nerven angekoppelt. Hier wurde geschafft mit einer flexiblen Elektrode an den Nerven anzukoppeln und zum zweiten hatten wir noch Entwicklungen in dem Bereich der Motorik. Dass man überhaupt Motoren herstellen kann, die leicht genug sind in einer Prothese eingebaut zu werden.“
Auch die Datenübertragung vom Körperinneren nach außen beziehungsweise in eine Prothese hat sich entscheidend verbessert. Durch die so genannte Telemetrie müssen nun nicht mehr Kabel durch die Haut geführt werden. Die Datenübertragung übernehmen heute hoch frequente, elektromagnetische Sender.
Das besondere bei dieser Neuroprothese ist, dass die Weiterleitung von Reizen in beide Richtungen funktionierten soll. Die High-Tech-Hand soll also wieder Sinnesorgan werden und dem Patienten Tasteindrücke vermitteln. Sensoren sollen zum Beispiel die Temperatur einer ergriffenen Kaffeetasse an einen im Arm implantierten Mikroprozessor melden, sodass im Gehirn das Gefühl von Hitze ankommt. Eine gewaltige Datenmenge, die da transportiert werden muss.
„Diese Datenmenge können wir zurzeit noch ganz gut händeln. Das Problem liegt daher, dass wir in der Elektrode selbst nur eine geringe Anzahl an Kanälen haben. Dort liegen wir zurzeit bei acht Kanälen und sind dort natürlich erheblich geringer wie das von der Biologie gelöst ist. Also dort ist das technische System dem biologischen System noch bei weitem unterlegen, aber es ist ein erster Schritt um dann weitere Optimierungen durchzuführen.“
In Tierversuchen wurde die Cyberhand bereits erfolgreich getestet. Nun soll noch in diesem Jahr ein Mensch die Cyberhand für etwa einem Monat erproben.
Eine künstliche Hand, die zupackt wie eine echte und sogar Tasteneindrücke ermöglicht, wäre für die Sportlerin Andrea Hegen ein Segen. Statt vier unterschiedlicher Prothesen für Sport und Alltag käme die so mit nur einer aus.
„Es hört sich schon ziemlich schlimm an. So roboter-like, aber ich mein: Das wäre echt super, wenn das klappen würde. Also wenn es natürlich aussieht und wenn man die einzelnen Finger damit bewegen könnte. Wäre das Beste, was überhaupt passieren könnte, dann kann man halt alles wieder machen wie Nichtbehinderte, dann hat man halt wieder zwei Hände. Super.“
Ihre Hoffnungen sind berechtigt, auch wenn es noch mindestens fünf bis zehn Jahre dauern wird bis die Cyberhand für Armamputierte eine selbstverständliche Sache ist.
„Fürs Laufen, das ist nur so ein länglicher Stab eigentlich, damit ich das Gleichgewicht ausgleichen kann und Schwung holen kann. Die soll nicht allzu schwer sein. Die für Medizinballwürfe und Krafttraining sind zwei verschiedene Aufsätze. Das eine ist eine Eisenklaue, die um die Hantelstange herum greift und die für die Medizinballwürfe ist wie ein Fächer. Damit der Ball reinpasst.“
Doch all die Pothesen ermöglichen keine weichen und fließenden Bewegungen. Genauso wenig, wie die so genannte Kosmetikhand, die sie im Alltag trägt.
„Die ist einfach steif und sieht halt schön aus. Man kann die Fingernägel schminken und Ringe hintun, aber die ist unbeweglich.“
Eine Hand, die wesentlich mehr kann als Ringe tragen, ist nicht nur der Traum vieler Armamputierter. Es ist auch der Traum von Forschern wie Klaus-Peter Koch vom Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik in St. Ingbert. Hier wird gemeinsam mit Forschern aus vier Nationen eine Cyberhand, also eine künstliche Hand mit Gefühl, entwickelt.
„Wir streben an, dass die Hand direkt vom Gegenüber nicht mehr als künstliche Hand erkannt wird und dass der Patient mit dieser Hand Tätigkeiten ausführen kann, die etwas diffiziler sind, wo man zum Beispiel mit dem Zwei-Finger-Griff einen Schlüssel besser greifen kann, wo man die Möglichkeit hat, eine Tatstatur zu bedienen. Dinge in dieser Art.“
Winzige Elektroden sind der Schlüssel für mehr Bewegung. Bei heutigen beweglichen Prothesen werden die Elektronen auf der Hautoberfläche oder den Muskeln angebracht. Nachteil dabei: die Elektroden verrutschen leicht und ermöglichen nur grobmotorische Bewegungen, da tiefer liegende Muskelstränge nicht erreicht werden. Die Cyberhand hingegen steuert direkt die noch intakten Enden der Nerven im Armstumpf an.
„Wir greifen bei diesem Konzept nicht direkt am Gehirn ab, sondern wir setzten unsere Elektrode am Oberarm an. Dort werden die Signale, die vom Gehirn kommen abgegriffen, übertragen zu dieser technischen Hand und führen dann zu einer Bewegung.“
Denkt der Träger der künstlichen Hand zum Beispiel daran, einen Schlüssel aufzuheben, sendet sein Gehirn entsprechende elektrische Impulse an die Nerven. Diese Signale werden dann durch die implantierten Elektroden per Funk an die Sensorenkabel und winzigen Motoren in der Prothese weitergeleitet und die Hand greift nach dem Schlüssel. Das alles ist nur möglich, betont Klaus-Peter Koch, weil in den vergangen Jahren große Fortschritte in der Entwicklung von Datenchips, Elektroden und Motoren gelungen sind.
„Der wesentliche Fortschritt der uns dahin gebracht hat, eine solche Cyberhand zu konstruieren, war die Miniaturisierung auf verschiedenen Bereichen. Das ist zum einen der Bereich der Elektrode, die an den Nerven angekoppelt. Hier wurde geschafft mit einer flexiblen Elektrode an den Nerven anzukoppeln und zum zweiten hatten wir noch Entwicklungen in dem Bereich der Motorik. Dass man überhaupt Motoren herstellen kann, die leicht genug sind in einer Prothese eingebaut zu werden.“
Auch die Datenübertragung vom Körperinneren nach außen beziehungsweise in eine Prothese hat sich entscheidend verbessert. Durch die so genannte Telemetrie müssen nun nicht mehr Kabel durch die Haut geführt werden. Die Datenübertragung übernehmen heute hoch frequente, elektromagnetische Sender.
Das besondere bei dieser Neuroprothese ist, dass die Weiterleitung von Reizen in beide Richtungen funktionierten soll. Die High-Tech-Hand soll also wieder Sinnesorgan werden und dem Patienten Tasteindrücke vermitteln. Sensoren sollen zum Beispiel die Temperatur einer ergriffenen Kaffeetasse an einen im Arm implantierten Mikroprozessor melden, sodass im Gehirn das Gefühl von Hitze ankommt. Eine gewaltige Datenmenge, die da transportiert werden muss.
„Diese Datenmenge können wir zurzeit noch ganz gut händeln. Das Problem liegt daher, dass wir in der Elektrode selbst nur eine geringe Anzahl an Kanälen haben. Dort liegen wir zurzeit bei acht Kanälen und sind dort natürlich erheblich geringer wie das von der Biologie gelöst ist. Also dort ist das technische System dem biologischen System noch bei weitem unterlegen, aber es ist ein erster Schritt um dann weitere Optimierungen durchzuführen.“
In Tierversuchen wurde die Cyberhand bereits erfolgreich getestet. Nun soll noch in diesem Jahr ein Mensch die Cyberhand für etwa einem Monat erproben.
Eine künstliche Hand, die zupackt wie eine echte und sogar Tasteneindrücke ermöglicht, wäre für die Sportlerin Andrea Hegen ein Segen. Statt vier unterschiedlicher Prothesen für Sport und Alltag käme die so mit nur einer aus.
„Es hört sich schon ziemlich schlimm an. So roboter-like, aber ich mein: Das wäre echt super, wenn das klappen würde. Also wenn es natürlich aussieht und wenn man die einzelnen Finger damit bewegen könnte. Wäre das Beste, was überhaupt passieren könnte, dann kann man halt alles wieder machen wie Nichtbehinderte, dann hat man halt wieder zwei Hände. Super.“
Ihre Hoffnungen sind berechtigt, auch wenn es noch mindestens fünf bis zehn Jahre dauern wird bis die Cyberhand für Armamputierte eine selbstverständliche Sache ist.