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Bionische Prothesen

64 Elektroden auf Haaresbreite

30. Mai 2018, 16:00 Uhr | Dries Braeken (Imec)

Der neue Biochip ist nur 35 µm "dick".

Weltweit arbeiten Forscher an bionischen – »smarten« – Prothesen, die sich beinahe echt anfühlen und ähnlich funktional wie ihre natürlichen Vorbilder sind. Ein neuer Bionik-Chip kann nicht nur E-Motoren steuern, sondern sensorische Rückmeldungen ans Gehirn senden.

Was in der Prothetik noch immer fehlt, ist eine Elektronik, die zwischen dem Nervensystem des Patienten und einem künstlichen Arm vermittelt, so dass dieser sich in Grenzen wie der eigene natürliche Arm anfühlt. Dazu ist eine extrem kompakte und gut implantierbare Elektronik notwendig, die genügend »Intelligenz« hat und die vielen erforderlichen Elektroden integriert, um eine feinstufige Verbindung zwischen der Prothese und den Hunderten von involvierten Nerven zu gewährleisten. Dieser lange gesuchte Verbindung könnte nun mit einem neuen implantierbaren Chip zur Verfügung stehen.

Motorischer Kortex in Bereitschaft für Bionik

Wenn jemand, etwa bei einem Autounfall oder am Arbeitsplatz, einen Arm verliert, bleibt nur ein unbeweglicher Stumpf zurück. Doch im primären motorischen Kortex des Gehirns sind noch alle Nervenbahnen präsent, die vorher die Bewegungen des Arms, der Hand und der Finger ausgelöst und feinmotorisch koordiniert haben. Diese »Schaltungen« sind gewissermaßen ein Abbild des Arms. Sie erzeugen, was manche Patienten als Phantomschmerz oder Juckreiz in einem Körperteil wahrnehmen, das nicht mehr da ist. Doch die Schaltungen senden weiter ständig Signale zur Auslösung von Bewegungen der Hand und der Finger. Will ein Patient in dieser Situation z. B. spontan jemandes Hand schütteln oder einen Ball auffangen, initiiert der Kortex eine elektrische Impulsfolge. Diese Impulse werden an die verbliebenen Muskeln weitergeleitet, die daraufhin gut sichtbar beginnen zu zittern.

Was diesen Patienten helfen könnte, wäre ein hinreichend komplexer mit Elektromotoren und Sensoren ausgestatteter künstlicher Arm, und dessen Verbindung mit dem verbliebenen Stumpf. Dies erfordert jedoch einen erheblichen multidisziplinären Aufwand. Denn das Vorhaben umfasst die Entwicklung einer extrem leichten und zugleich kräftigen Mechanik mit der Integration von Elektromotoren, die dieselbe Kraft und Flexibilität aufbringen wie die menschliche Muskulatur. Hinzu kommt die Entwicklung einer biokompatiblen Schnittstelle für den Stumpf zur Umsetzung der organisch erzeugten Signale in Steuerkommandos für den künstlichen Arm.

Ziel: Natürliche Wahrnehmung der Prothese

Die erste Generation smarter Prothesen war so ausgelegt, dass sie die elektrischen Signale der verbliebenen Muskeln erfassen und zur Steuerung der Elektromotoren im künstlichen Arm einsetzen konnten. Doch die mit einem solchen künstlichen Arm ausgestatteten Patienten empfanden diesen häufig als lebloses Objekt, das nicht wirklich zu ihrem Körper gehört. Deshalb tendierten sie dazu, den künstlichen Arm nur wenig zu nutzen. Diese überraschende Ablehnung wird von objektiven Gründen gestützt:

So erlauben diese Prothesen der ersten Generation nicht die feinmotorische Kontrolle der Finger, über die wir mit unserer Umgebung interagieren, und die auf langem Lernen und Feinabstimmung über Jahrzehnte hinweg beruht. Die Patienten können einen Stift in die Hand nehmen, doch sie können damit nicht schreiben.
Noch störender ist die fehlende Rückkopplung über die Nervenbahnen: Der künstliche Arm kann dem Gehirn nicht signalisieren, ob er eine weiche Oberfläche oder glühende Kohlen berührt. Oder wie er gerade soviel Druck ausüben kann, um einen Kaffeebecher sicher zu halten, ohne diesen zu zerdrücken.

Um eine natürlichere Wahrnehmung der Prothese zu schaffen, wurde von der DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency, einer Forschungseinrichtung des US-Verteidigungsministeriums) das Haptix-Programm (Hand Proprioception and Touch Interfaces) aufgelegt. Das Ziel der Arbeit ist die Schaffung einer künstlichen Hand, die sich bewegt und dabei Empfindungen erzeugt, die denen einer natürlichen Hand vergleichbar sind. Geschehen soll dies mit dem direkten Zugriff auf die zugehörigen Nervenbahnen statt über die Muskeln. Dieser Ansatz verknüpft die biologische mit der artifiziellen Schaltung, und zwar über eine dauerhaft implantierte Verbindung (Link), die elektrische Signale in beide Richtungen weitergibt.