Ein elektrisches Kribbeln in der Hand

29. April 2013, 19:30
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Linzer Forscher haben eine Prothese entwickelt, die über sensible Sensoren ihren Benutzer fühlen lässt

An der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine wird intensiv geforscht. Die Umsetzung komplexer Funktionen scheitert jedoch noch oft an den Kosten.

Auf dem Tisch liegt eine kalte, regungslose Hand. Die Fingerspitzen sind mit weißem Kunststoff überzogen, Ballen und Handfläche mit schwarzem. Darunter befinden sich sechs Motoren und das Herzstück der Hand: die sensible Elektronik, ausgetüftelt von Linzer Forschern gemeinsam mit dem Medizintechnik-Hersteller Vincent Systems.

Dort, wo das Handgelenk sein sollte, befinden sich kleine Anschlüsse für Kabel, die sie mit ihren "Fühlern" verbindet. "Sie sind die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine", wie Hubert Egger, Prothetiker und Leiter des Instituts für Medizintechnik der Fachhochschule Oberösterreich, erklärt. Die Hightech-Hand ist der Prototyp der ersten kommerziellen Prothese, die über einen Tastsinn verfügt, ihren Benutzer also fühlen lässt.

Wie das funktioniert, ist auch für Laien nachvollziehbar und zeigt, mit welch simpler Mechanik auch der gesunde Menschenkörper teilweise arbeitet: Die zwei "Fühler", also Elektroden, werden auf die Hautoberfläche aufgesetzt - das ist bis zum Schulterbereich möglich, je nachdem, an welcher Stelle die Gliedmaße amputiert wurde. Will der Benutzer eine Bewegung ausführen, ziehen sich auch ohne Hand beziehungsweise Arm die Restmuskeln zusammen, die sie durchführen würden. Die Elektroden erfühlen die Muskelaktivität und leiten den biologischen Befehl als elektrischen weiter - die Prothese setzt die Bewegung um.

Hirn zu Hand und retour

Das alles ist nichts Neues: Nach diesem System funktionieren handelsübliche Prothesen schon jetzt. Woran Egger und sein Forschungsteam seit Jahren arbeiten, geht einen Schritt weiter. Denn bisher können Menschen mit Prothesen nicht fühlen, was sie angreifen. Sie müssen ihre Bewegungen mit den Augen verfolgen, da sie sich sonst nicht sicher sein können, ob und wie sie diese tatsächlich ausführen. Auch die Intensität des Greifens ist dadurch schwer abschätzbar - was beispielsweise beim Umfassen von einem Ei zum Problem werden kann. Das Ziel von Egger und vielen anderen Forschern auf diesem Gebiet war und ist es also, nicht nur Informationen vom Gehirn in die Prothese zu leiten, sondern auch wieder zurück.

Den menschlichen Tastsinn machen drei physikalische Informationen aus: Rezeptoren, die den Druck messen und dadurch die Griffkraft abschätzen lassen. Schwingungsfühler, die durch Bewegungen wie das Streichen über eine Oberfläche deren Beschaffenheit bestimmen. Und Temperaturrezeptoren, die uns über chemischen Weg, ähnlich wie ein Thermometer, Wärme und Kälte spüren lassen. Im Labor ist es inzwischen möglich, alle drei Größen in eine Prothese zu integrieren. Also die biologischen Rezeptoren durch elektronische Sensoren zu ersetzen - feine Vibrationsmuster leiten die Information über die Elektrode auf der Haut ans Gehirn weiter.

In Versuchen im Labor wurde mit Probanden getestet, welcher dieser drei Faktoren der wichtigste sei. Das Ergebnis war eindeutig: Die Griffkraft - also zu fühlen, wie fest Objekte sind und wie viel Druck man ausüben sollte, um filigrane Gegenstände beim Aufheben nicht zu zerbrechen. Als am unwichtigsten wurde die Temperaturmessung eingestuft. "Natürlich sind trotzdem alle drei Informationen, die den Tastsinn ausmachen, relevant, sonst hätte der Körper sie natürlicherweise nicht", sagt Egger. Man müsse sich etwa vorstellen, dass ein Mensch ohne Hände so zum ersten Mal die Körperwärme eines geliebten Menschen spüren könnte.

Die Utopie der Forscher ist, dass der Anwender nicht mehr merkt, dass er eine Prothese und keine natürlichen Gliedmaße hat. Doch außerhalb des Labors, in der alltäglichen Anwendung, führen mehr Funktionen auch zu größerer Anfälligkeit. Denn die Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine ist sehr veränderlich: Schweiß, Kälte, Reibung, Nässe - je mehr Elektroden auf die Haut gesetzt werden, desto größer ist die Gefahr, dass eine ausfällt und dadurch das ganze System nicht mehr funktioniert. Oder schlicht: dem Anwender das Wasserglas aus der Hand rutscht.

Weniger Phantomschmerzen

Letztendlich ist höhere Komplexität auch eine Kostenfrage. Aus all diesen Gründen wird "Vincent Evolution 2", wie sich die Prothese nennt, nur über Griffkraftsensorik verfügen. Man könne sie noch nicht ganz so schnell bewegen wie eine echte Hand, aber fast. Ab Ende des Jahres soll sie erhältlich sein.

Für Menschen, die die neue bionische Prothese tragen, wird sie mehr bedeuten als ein bisschen mehr Tastsinn. Tests in Linz haben ergeben, dass sich durch Gefühl, also die vibrotaktile Rückmeldung ans Gehirn, auch Phantomschmerzen deutlich verbessern. Denn diese entstehen dadurch, dass der Körper aus dem fehlenden Areal keine Informationen bekommt und sich deshalb verstärkt darauf konzentriert. Jeder kennt dieses Phänomen, wenn man in einem dunklen Raum steht - und man mit der Zeit immer besser sieht.

Die Prothese soll aber weiterentwickelt werden; mit der Langzeiterfahrung sollen "Fühler" dazukommen. Denn Egger glaubt, dass das Thema Prothetik in Zukunft eine immer größere Rolle spielen wird: "Wohlstandserkrankungen" durch Diabetes, Rauchen und Ernährung würden zur Folge haben, dass immer mehr Menschen Prothesen brauchen. Er hofft, dass dadurch eine Enttabuisierung stattfindet. "Und somit Prothesen genauso selbstverständlich werden wie Brillen." (Katharina Mittelstaedt, DER STANDARD, 30.4./1.5.2013)

  • Selbst ein rohes Ei soll die bionische Prothese gefühlvoll in den Griff bekommen. Sensible Elektronik im Inneren der künstlichen Hand imitiert den Tastsinn.
    foto: andré kempe

    Selbst ein rohes Ei soll die bionische Prothese gefühlvoll in den Griff bekommen. Sensible Elektronik im Inneren der künstlichen Hand imitiert den Tastsinn.

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