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Robotik Roboter-Arm über Impulse aus dem Gehirn steuern

| Redakteur: Hendrik Härter

Forscher arbeiten an der Umsetzung eines Roboterarms, der mithilfe von Elektroden-Arrays direkt aus dem menschlichen Gehirn gesteuert wird. Dabei bedienen sich die Forscher auch der virtuellen Realität.

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Elektroden im Gehirn leiten Impulse von Nervenzellen ab, die dann einen Roboterarm steuern. Der Anschluss der Elektroden liegt außerhalb des Schädels.
Elektroden im Gehirn leiten Impulse von Nervenzellen ab, die dann einen Roboterarm steuern. Der Anschluss der Elektroden liegt außerhalb des Schädels.
(Bild: Damian Gorczany)

Für halsabwärts gelähmte Patienten wäre es ein großer Gewinn: Ein Roboterarm, der sich steuern lässt wie ein eigenes Körperteil. Wissenschaftler der Emmy-Noether-Nachwuchsforschergruppe um Dr. Christian Klaes arbeiten daran, diesen Traum wahr werden zu lassen.

„Einen solchen Arm darf man sich nicht vorstellen wie einen richtigen menschlichen Arm“, erklärt Klaes. „Er würde sich ein Stück entfernt vom Benutzer befinden, vielleicht befestigt an seinem Rollstuhl.“ Möglich wäre es beispielsweise, bewährte Roboter aus der Industrie zu verwenden, welche die notwendigen Freiheitsgrade haben, um auch feinmotorische Bewegungen auszuführen.

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Impulse von Elektroden-Arrays aus dem Gehirn

Die notwendigen Impulse, um eine Tasse oder einen Becher zu heben, kommen direkt aus dem Gehirn des Patienten. Über Elektroden-Arrays, die den Patienten direkt in die entsprechenden Gehirnbereiche implantiert werden, kommen die Signale von den beteiligten Nervenzellen. Mit vier mal vier Millimetern sind die entsprechenden Bauteile recht klein. Die Elektroden messen etwa einen Millimeter.

„Bei gelähmten Patienten wäre es sinnvoll, drei solcher Arrays dauerhaft zu implantieren“, erklärt Christian Klaes. „Einen im Parietalkortex, einen im motorischen und einen im somatosensorischen Kortex.“ In diesen Gehirnbereichen passiert die Planung von Bewegungen, werden Bewegungen gesteuert und die Rückmeldungen der Nerven im Körper über Bewegungen und Berührungen verarbeitet.

Bis es so weit ist, dass die ersten Patienten an Versuchen teilnehmen können, arbeitet die Nachwuchsgruppe in der Virtual Reality mit gesunden Probanden. Dabei geht es darum, die Grundlagen zu erforschen, die eine Steuerung von technischen Hilfsmitteln mithilfe der Gehirnnervenzellen ermöglichen.

Forschung mit virtueller Realität

Unter anderem beschäftigen sich die Forscher damit, welche Nervenimpulse in Bewegungen übersetzt werden sollen. Die Probanden bekommen eine Virtual-Reality-Brille – demnächst kabellos für mehr Bewegungsfreiheit. Über verschiedene Steuergeräte, wie einem Controller, oder per Kamera gilt es dann, verschiedene Aufgaben zu erledigen. Währenddessen können die Forscher über eine leichte und kabellose EEG-Kappe die Gehirnströme ableiten, um zu ermitteln, welche Hirnbereiche während der Aufgaben aktiv sind.

Bestimmte Elektroden liegen bei den Patienten häufig im Hippocampus, einer Gehirnregion, die mit räumlichem Gedächtnis und Navigation befasst ist. Ob und welche Signale von dort vielleicht sinnvoll nutzbar wären, um Hilfsmittel zu steuern, soll sich so herausstellen. Um der so gesammelten Datenflut Herr zu werden, nutzen die Forscher Methoden der künstlichen Intelligenz. Einer der Doktoranden hat sich spezialisiert auf das sogenannte Deep Learning, mit dem man aus großen Datenmengen die nützlichen Informationen herausfiltern kann.

Auch ein Exoskelett wäre möglich

Doch neben einem Roboterarm wäre auch ein Exoskelett denkbar, dass die eigenen Arme und Beine anstelle der Muskeln bewegt. „Man könnte die Muskeln auch selbst in Bewegung setzen, indem man sie über aufgeklebte oder implantierte Elektroden mittels Impulsen aus dem Gehirn dazu bringt, sich anzuspannen und zu entspannen“, sagt Christian Klaes. Allerdings würden die Muskeln unter diesen Bedingungen sehr schnell ermüden. Außerdem besteht dann die Gefahr, dass sich Patienten durch zu starke Bewegungen oder Stöße selbst verletzen, ohne es zu bemerken.

Dieser Beitrag erschien zuerst auf unserem Partnerportal Elektronikpraxis.de.

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