Exo-Skelett-Steuerung mit Gehirnsignalen und Augenbewegungen

Eine Roboterhand, die im Alltag funktioniert: So etwas kannte man bisher nur aus Filmen wie Star Wars. Dort führen Darth Vader oder Luke Skywalker mit ihren künstlichen Händen äußerst wirkungsvoll ihre Lichtschwerter.

Einem europäischen Forscherteam unter Führung des Tübinger Mediziners Surjo R. Soekadar ist es jetzt gelungen, eine Roboterhand zu entwickeln, die, ähnlich wie im Film, die Aufgaben einer echten Hand übernehmen kann. Sie kann größere und kleinere Gegenstände greifen, in der Luft halten und wieder absetzen.

„Orthesen“ werden diese Roboterhände genannt, weil sie die gelähmte natürliche Hand wie eine Schale umgeben und führen - wie eine Art äußeres Skelett. Neu und weltweit einmalig an der Tübinger Entwicklung ist, dass der Patient die künstliche Hand mit Gehirnsignalen und Augenbewegungen selbst steuern kann. Und dass dies ohne eingepflanzte Mikroelektroden funktioniert.

„Unsere Patienten sind selbstständig in einem Restaurant essen gegangen“, sagt Surjo Soekadar, ein Schüler des weltweit bekannten Hirnforschers Niels Birbaumer. Bislang kamen die besten Systeme auf eine Erfolgsquote von 90 Prozent. Was sich erstmal ganz gut anhört, heißt aber faktisch, dass bei jedem zehnten Versuch das Glas aus der Hand fällt. Für den Einsatz im Alltag ist das zu riskant.

Aufregend sind die Tübinger Forschungen für all diejenigen, die aufgrund einer Querschnittlähmung zwar noch ihre Schulter und Ellbogen bewegen, nicht aber ihre Hände benutzen können. Sie können jetzt mit der Roboterhand essen. „Sie können sich gar nicht vorstellen, wie erleichtert Menschen sind, die vorher gefüttert werden mussten oder das Essen irgendwie zwischen ihren Handgelenken hielten.“

Auch bei vielen halbseitengelähmten Schlaganfallpatienten funktioniert die Steuerung der Handbewegungen nicht mehr. Sie könnten laut Soekadar von der neuen Technik sogar doppelt profitieren. Zum einen kurzfristig, weil sie wieder beide Hände einsetzen können, und zum anderen langfristig, weil das Gehirn, dank der Robotersteuerung, nicht verlernt, die vom Schlaganfall betroffene Hand zu bewegen.

Dass dies nicht nur beim Schlaganfall eine wichtige Rolle spielen kann, wie Niels Birbaumer in einer großen klinischen Studie demonstrieren konnte, sondern auch bei Querschnittslähmungen, zeigte vor kurzem eindrucksvoll der Wissenschaftler Miguel Nicolelis. Der Brasilianer entwickelte das Exoskelett, mit dem der gelähmte Juliano Pinto im Jahr 2014 die WM in Brasilien eröffnete. Nicolelis konnte zeigen, dass das Hirn auf Dauer Möglichkeiten findet, zerstörte Hirnareale oder Nervenleitungen zu umgehen. Acht vollständig gelähmte Patienten, die ein Jahr lang regelmäßig mit seinem Exoskelett trainierten, spürten plötzlich ihre Beine wieder und konnten teilweise sogar laufen. Soekadar: „Selbst bei klinisch komplett Querschnittgelähmten sind oft noch viele Nervenbahnen intakt. Die kann man reaktivieren.“

Das Gehirn ist nämlich außerordentlich anpassungsfähig und reagiert auf Feedback von außen sehr innovativ. Soekadar kann sich deshalb sogar vorstellen, depressiven oder sogar dementen Menschen mit der neuen Technik zu helfen. Über eine entsprechend programmierte Schnittstelle könne man ihr Gehirn dazu bringen, kritische Areale zu umgehen und andere zu aktivieren.

Sechs Patienten hat Soekadar mit der externen Hand trainieren lassen. Alle waren so begeistert, dass sie die Prototypen gar nicht mehr hergeben mochten. Um die Roboterhand zu steuern, muss sich der Patient vorstellen, den Gegenstand zu greifen. Hochsensible Polyamid-Elektroden an seinem Kopf messen die dabei im motorischen Kortex entstehenden Hirnströme und übersetzen sie in Befehle für die Roboterhand. Die Hand schließt sich dann um den Gegenstand und hält ihn mit einem gewissen Druck fest - sodass er nicht zerstört wird, aber auch nicht herunterfällt. Um das vorzeitige Herunterfallen zu verhindern, haben die Tübinger noch zusätzlich eine Augenkontrolle eingeführt. Erst wenn der Patient willentlich zur Seite schaut, wird der Gegenstand losgelassen.

Anders als die bisherigen Systeme, die über eingepflanzte Elektroden gesteuert wurden, erspart die Tübinger Entwicklung dem Patienten eine Operation und ist trotzdem erstaunlich alltagstauglich. Schon in etwa zwei Jahren, glaubt Soekadar, werden die ersten Geräte auf dem Markt sein.

Zusammen mit dem Stuttgarter Fraunhofer Institut arbeitet seine Forschungsgruppe derzeit daran, die noch recht klobige Roboterhand zu verbessern. „Die künftigen Exo-Skelette wird man auf den ersten Blick gar nicht mehr erkennen können“, meint Soekadar. Sie sollen aus weichem Polymer sein, werden per 3-D-Drucker individuell hergestellt und an die Hand angepasst. Und die Forscher planen schon den nächsten Schritt: „Wir wollen in die künstliche Hand Sensoren einbauen, die dem Gehirn signalisieren, wie groß der auf das Glas ausgeübte Druck ist.“