Aus der Forschung
Mithilfe einer lernenden Software lässt sich der Roboterarm über Gedanken steuern. Bild: DLR
Hirnsignale steuern Roboterarm
Ein weltweit einmaliges Assistenzsystem ermöglicht es vollständig gelähmten Menschen, über Hirnsignale einen Roboterarm zu steuern. Für diese Entwicklung erhalten der Robotikexperte Prof. Dr. Patrick van der Smagt aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und der Neurowissenschaftler Prof. Dr. John P. Donoghue, Brown University, USA, den Erwin Schrödinger Preis 2012, den die Helmholtz-Gemeinschaft abwechselnd mit dem Stifterverband vergibt.
Damit der Patient durch Gedanken den Greifarm steuern kann, haben die Forscher eine lernende Software entwickelt, die Signale aus dem Gehirn des Patienten in Steuerungssignale für den Greifarm übersetzt. 2011 gelang es einer Patientin so mit dem Greifarm einen Trinkflasche mit Strohhalm zum Mund zu führen. Die Patientin, die seit 15 Jahren vom Hals abwärts gelähmt war, konnte damit erstmals seit ihrem Schlaganfall wieder selbständig trinken. Zur Steuerung des Greifarms musste sie kein aufwändiges Training absolvieren, sondern sich nur vorstellen, ihren eigenen Arm entsprechend zu bewegen. Diese Vorstellung erzeugte Signale im motorischen Kortex des Gehirns. Ein kleines, mit der Brown University entwickeltes Implantat im Schädel der Patientin leitete diese Signale weiter, so dass sie über einen Lernalgorithmus, den die Wissenschaftler ständig weiter optimierten, zu den gewünschten Steuerungsbefehlen verarbeitet werden konnten.
Dass es möglich ist, einen Cursor auf einem Bildschirm über „Gedanken“ zu steuern, hatten Neurowissenschaftler bereits zuvor gezeigt. Patrick van der Smagt hat diese grundsätzliche Möglichkeit aber nun auf die deutlich komplexere, dreidimensionale Steuerung einer Greifhand übertragen. Bei ersten Versuchen steuerte die Probandin deshalb zunächst einen Roboterarm auf ihrem Computerbildschirm. Damit die Wissenschaftler die neuronalen Signale richtig deuten konnten, stellte sich die Probandin vor, den Roboterarm zu kontrollieren, während sie seine Bewegungen beobachtete - dabei wurden die entsprechenden Hirnaktivitäten aufgezeichnet und ausgewertet. Schließlich kam der DLR-Roboterarm zum Einsatz: Zum ersten Mal konnte die Patientin alleine mit der "Kraft ihrer Gedanken" mit dem Roboterarm eine Trinkflasche ergreifen.
„Besonders wichtig bei den Versuchen ist natürlich, dass der Roboter für die Probandin keine Gefahr darstellt“, betont van der Smagt. Dafür sorgen Sensoren im Roboterarm, die kontinuierlich prüfen, ob ein unerwünschter Kontakt zur Umgebung besteht. Auch die Stärke, mit der die Roboterhand zugreift, sowie die Geschwindigkeit des Leichtbauroboters sind präzise geregelt.
Diese Entwicklung ist ein technologischer Durchbruch, der international viel Aufmerksamkeit erregt und großes Potenzial besitzt, das Leben von Menschen mit Behinderungen zu erleichtern. Möglich wurde dieser Durchbruch nur durch die enge Zusammenarbeit der Experten aus Neurowissenschaften, Robotik und Softwareentwicklung. Mit dem Erwin-Schrödinger Preis wollen Stifterverband und Helmholtz-Gemeinschaft Wissenschaftlerteams auszeichnen, die mehrere Disziplinen mit einbeziehen und dadurch besondere Innovationen erreichen.
