Können Prothesen durch Magnete gesteuert werden? Neuer Roboterarm hilft behinderten Menschen, „zur Normalität zurückzukehren“

Tuchong Creative

Kürzlich hat ein Team des Instituts für Biorobotik der Universität Sant'Anna im italienischen Pisa eine neue Roboterhand entwickelt, die von Patienten gesteuert werden kann, als wäre es ihre eigene Hand. Und der Roboterarm wurde erfolgreich an einem Patienten getestet. Einige Freunde fragten, ob diese künstliche Hand wirklich wie eine echte Hand verwendet werden könne.

Wir haben bereits über Gehirn-Computer-Schnittstellen gesprochen. Wir haben in unseren vorherigen Programmen über Gehirn-Computer-Schnittstellen gesprochen. Interessierte Freunde können gerne vorbeikommen und es sich ansehen. Vereinfacht ausgedrückt handelt es sich bei einer Gehirn-Computer-Schnittstelle um eine in das Gehirn des Patienten implantierte Elektrode, die elektrische Signale sammelt, um seine Gedanken zu analysieren, und die Signale dann an einen installierten Roboterarm oder ein anderes mechanisches Gerät überträgt, um Funktionen wie Schreiben und Gehen zu ermöglichen.

Aber dieses Mal handelt es sich nicht wirklich um eine Gehirn-Computer-Schnittstelle. Schließlich handelt es sich bei Brain-Computer-Interfaces um relativ komplexe Systeme, deren Implantation derzeit mit gewissen Schwierigkeiten und Risiken verbunden ist. Vergleicht man diesen neuen Roboterarm mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle, müsste man von einer „Arm-Computer-Schnittstelle“ sprechen, was bedeutet, dass am Restarm des Amputierten eine „Fassung“ angebracht wird.

Was bedeutet das?

Obwohl amputierte Patienten ihre Hände verloren haben, werden die verbleibenden Muskeln in ihren Unterarmen noch immer wie zuvor vom Gehirn gesteuert und bewegen sich gemäß den Anweisungen des Gehirns.

Die Bewegung dieser Restmuskeln spiegelt die Trainingsabsicht der Person wider. Mit anderen Worten: Vor der Amputation konnte der Patient einfach mit seinen Händen greifen, was er wollte. Wenn Sie nach der Amputation etwas greifen möchten, bewegen sich die verbleibenden Muskeln trotz des fehlenden Handteils weiterhin wie zuvor. Dieser neue Roboterarm erkennt und analysiert die Bewegung dieser Restmuskeln, überträgt ihre „Bewegungsabsichts“-Signale an den Roboterarm und ermöglicht dem Roboterarm die Ausführung.

Wie kann man es gezielt kontrollieren?

Das Forschungsteam verwendete winzige, etwa wenige Millimeter große Magnete und implantierte sie in die Restmuskulatur des amputierten Arms. Wenn sich der Muskel bewegte, bewegte sich der Magnet mit, wodurch sich das Magnetfeld im Raum änderte. Mithilfe eines speziellen Algorithmus wurde diese Änderung dann in Anweisungen für den Roboterarm umgewandelt. Im Vergleich zu Gehirn-Computer-Schnittstellen ist diese Technologie einfacher und sicherer, da keine Elektroden im Gehirn implantiert werden müssen.

Tatsächlich gibt es mittlerweile zahlreiche Studien zu dieser Art von Prothesen, die alle darauf abzielen, die Bewegung verschiedener Gelenke der Hand direkt über die Stumpfmuskulatur zu steuern. Wie werden sie kontrolliert?

Denn wenn man sich die Signalquellen anschaut, die hier genutzt werden können, dann sind das im Grunde nur Muskeln, also ein Großteil der hier genutzten Signale sind die von Muskeln erzeugten elektrischen Signale, die wir auch elektromyografische Signale nennen. Allerdings besteht bei der Verwendung elektromyografischer Signale der Nachteil, dass sie leicht durch externe Signale gestört werden können. Während meines Doktoratsstudiums habe ich eine Forschungsarbeit durchgeführt, bei der ich die elektromyografischen Signale von Ratten messen musste. Es war äußerst schwierig und es gab viele Störungen.

Bei der Forschung, über die wir diesmal sprechen, wurden keine elektromyografischen Signale verwendet, sondern eine andere Methode, bei der die Bewegung, Kontraktion und Entspannung der Muskeln ausgenutzt und dann die Position des Muskelstumpfs verändert wurde. Dies ist jedoch tatsächlich mit Schwierigkeiten verbunden, d. h. eine quantitative Messung ist sehr schwierig. Daher war es für sie besonders schwierig, mit einem Magneten Erfolge zu erzielen.

Und obwohl ihre Forschung auch wie ein Roboterarm aussieht, unterscheidet sie sich stark von herkömmlichen Roboterarmen. Viele unserer Freunde haben Science-Fiction-Filme gesehen und in vielen Wissenschafts- und Technikmuseen gibt es entsprechende Ausstellungen. Roboter können Roboterarme fernsteuern und verschiedene Operationen durchführen, doch herkömmliche Roboter sind im Allgemeinen nicht für Menschen mit Behinderungen konzipiert und viele von ihnen werden von Menschen mithilfe von Knöpfen oder Joysticks gesteuert.

Aber diese Forschung ist anders. Dieser Roboterarm wird als „echte Hand“ für behinderte Menschen eingesetzt. Und das bedeutet nicht, dass behinderte Menschen es indirekt per Sprachsteuerung oder über andere Kanäle steuern können, aber sie können wie mit einer normalen Hand zeigen und schlagen, was erstaunlich ist.

Das Forschungsteam testete die Prothese sechs Wochen lang an Patienten. Die Patienten konnten relativ problemlos Gegenstände unterschiedlicher Form aufheben und bewegen, beispielsweise Wasser einschenken, Dosen öffnen, Schraubenzieher verwenden, mit Messern schneiden und Reißverschlüsse schließen. Sie konnten auch die Kraft kontrollieren, mit der sie zerbrechliche Gegenstände griffen.

Dieses Forschungsergebnis kann als großer Durchbruch auf dem Gebiet der Prothesenwissenschaft und als bahnbrechende Erforschung der Zukunft der Prothetik bezeichnet werden. Daher hat die Entwicklung von Wissenschaft und Technologie die Probleme von immer mehr Menschen mit Behinderungen gelöst. Indem wir behinderten Menschen mithilfe von Technologie helfen, hoffen wir, dass sie ein normales Leben wie normale Menschen führen können. In Zukunft könnten sie vielleicht sogar mit einem Roboterarm Klavier spielen, genau wie manche Sportler, die mit Prothesen an normalen Wettkämpfen teilnehmen.

Ich weiß nicht, ob wir uns alle daran erinnern, dass es bei den Olympischen Spielen 2008 in Peking einen Athleten namens Blade Runner gab, Pistorius, einen behinderten Menschen ohne Waden. Er hatte vor langer Zeit die Meisterschaft bei den Paralympischen Spielen gewonnen. Im Jahr 2008 nahm er mit Prothesen an den Olympischen Spielen für Normalbürger teil und erreichte eine gewisse Platzierung. Es war in der Tat nicht leicht für diesen Athleten, Blade Warrior, aber viele Wissenschaftler waren damals gegen seine Teilnahme am Wettbewerb. Warum? Hier bestehen tatsächlich einige ethische Risiken. Überlegen Sie einmal: Wenn mechanische Prothesen tatsächlich die ursprünglichen Organe des Körpers ersetzen und dabei noch gute Ergebnisse erzielen können, d. h. wenn Menschen ihre Leistungsfähigkeit mit Hilfe mechanischer Geräte verbessern können, dann ist es möglich, dass manche Menschen ermutigt werden, in diese Richtung zu arbeiten. Sehen wir uns Herrn Jin Yongs Roman „Das mit königlichem Blut befleckte Schwert“ an, in dem der Anführer der Fünf Gifte, He Tieshou, sich die Hand abhackt, um Kampfkünste zu üben, und sie durch einen Eisenhaken ersetzt. Es gibt auch viele Science-Fiction-Filme mit Cyborgs, in denen einige Teile des menschlichen Körpers durch Maschinen ersetzt werden. Manche Menschen möchten ihre eigenen gesunden Zähne nicht verwenden und bestehen darauf, sie durch Goldzähne zu ersetzen.

Tatsächlich sagen wir also, dass viele wissenschaftliche und technologische Errungenschaften zwei Seiten haben. Bei richtiger Verwendung werden sie der Menschheit zugute kommen. Bei unsachgemäßer Anwendung können jedoch leicht wissenschaftlich-ethische Probleme auftreten. Wenn sich die Prothetikwissenschaft in Zukunft sehr schnell weiterentwickelt und die hergestellten Prothesen besser sind als die echten und über mehr Funktionen verfügen, müssen wir möglicherweise tatsächlich einige wissenschaftliche und ethische Probleme lösen. Allerdings ist unsere Technologie noch nicht so weit entwickelt, dass man sich derzeit keine allzu großen Sorgen machen muss. Daher ist diese Forschung für die Menschheit, insbesondere für einige besondere Gruppen, von großer Bedeutung.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Zhang Yuzhi

Gutachter: Liu Zhicheng, Dekan/Professor, Fakultät für Biomedizintechnik, Capital Medical University

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.