Auf dem Weg zum Mischwesen

Forscher entwickeln fühlende Prothesen und Geräte zur Gedankensteuerung. Sie revolutionieren die Art, wie wir mit Maschinen interagieren. Wir bekommen neue Sinne – und erweitern unsere Fähigkeiten.

Vorsichtig greift Igor Spetic mit der rechten Hand eine Kirsche und entfernt mit der linken Hand den Stiel. Was alltäglich aussieht, feiern die Forscher am Cleveland Veterans Affairs Medical Center und der Case Western Reserve University in Cleveland als kleine Sensation. Denn Spetics rechte Hand ist eine Prothese. Bei einem schweren Unfall an einer Maschinenpresse hatte der Arbeiter aus Madison, Ohio, eine Hand verloren. Nun kann er wieder beidhändig hantieren. Das Zugreifen mit einer künstlichen Hand bekommt einer Kirsche nur selten gut: Entweder wird sie zerdrückt, oder sie rutscht durch die Finger. Doch Spetics Hand ist mit Drucksensoren bestückt, die Signale an die Nerven in seinem Arm weiterleiten. Die künstliche Hand verfügt damit über einen Tastsinn – und ermöglicht so auch filigrane Aktionen.

Die fühlende Prothese der Wissenschaftler aus Cleveland lässt nicht nur eine ganze Forschungsrichtung, sondern auch Menschen mit Behinderungen und sogar Gesunde hoffnungsvoll in die Zukunft schauen. „Die Cyborg-Ära hat begonnen“, konstatierte „Science“ 2013, als Spetics Hand noch entwickelt wurde. Dem Fachjournal zufolge eroberten immer mehr elektronische Komponenten den Körper und machten uns zu einem Mischwesen aus Mensch und Maschine. Bei Epileptikern stoppten Elektroden schon heute Anfälle im Gehirn.

Nun stehen die nächsten Schritte an: Wissenschaftler koppeln Nervenzellen mit elektrischen Sensoren, schalten Chips und Nervenzellen zusammen. Sie lesen aus den Hirnströmen Signale zur Steuerung von PCs oder Roboterarmen aus und rüsten das Gehirn mit Elektronik auf. Michio Kaku, Autor und Physiker an der City University of New York, schwärmt sogar schon vom „goldenen Zeitalter der Neurowissenschaften“, das begonnen habe. In seinem neuen Buch „Die Physik des Bewusstseins“ skizziert er kühne Visionen: Eines Tages könne der Mensch Geisteskrankheiten heilen, seine Intelligenz steigern und Backup-Kopien des Gehirns herstellen.

Wann es so weit ist und ob es überhaupt dazu kommt, steht in den Sternen. Forscher haben jedoch einiges erreicht, das die Vision nicht mehr undenkbar erscheinen lässt. Für Igor Spetic beispielsweise bauten die Forscher eine Prothese, die jene Nervensignale abgreift, die früher die echte Hand gesteuert haben. Die künstliche Extremität lässt sich steuern wie eine aus Fleisch und Blut. Das aber war den Wissenschaftlern nicht genug. Damit Spetic umgekehrt auch fühlen kann, was die Sensoren seiner Handprothese messen, haben sie drei verschiedene Nervenbündel in seinem Arm mit je einem dünnen Schlauch umhüllt. Darauf sitzen Elektroden, welche die elektrischen Signale der Kunsthandsensoren an die Nervenfasern weiterleiten.

Die fühlende Hand funktioniere bereits seit 18 Monaten, berichtet Dustin Tyler, Leiter des Projekts an der Case Western Reserve University in Cleveland. Der 48-jährige Spetic kann Berührungen an einzelnen künstlichen Fingern des Prototyps spüren und auch an der Handrückseite. „Es ist wirklich spannend zu sehen, was möglich ist“, erklärt er. Zudem sind die ausgelösten Empfindungen laut Tyler natürlicher als bei früheren Experimenten. Perfekt sind sie aber offenbar noch nicht. Dieselbe Berührung fühlt sich unterschiedlich an, je nachdem, wie der Neuroforscher die Signalübertragung justiert. Mal ist es, als berühre er einen fliegenden Ball, erzählt Spetic, mal, als handle es sich um weichen Stoff oder Sandpapier. Bis zu zehn Jahre dauere es Tyler zufolge noch, bis die fühlende Prothese marktreif ist. Nicht nur die Tausenden US-Veteranen, die Gliedmaßen verloren haben, sehnen diesen Tag herbei.

Ein viel genaueres Gespür könnte die Handprothese „Lifehand 2“ liefern, an der Forscher aus der Schweiz, Deutschland, Italien und England arbeiten. Der dänische Amputierte Dennis Sørensen konnte dank der Prothese mit geschlossenen Augen erkennen, ob ein Gegenstand weich oder hart, rund oder eckig war. „Die sensorische Rückmeldung war unglaublich“, berichtet der 36-jährige. Die Kunsthand übersetzte die haptischen Sensor-Informationen in elektrische Signale. Weil sie noch zu grob waren, wandelte sie ein Rechner in Impulse um, den die Sinnesnerven interpretieren können. Je nachdem, welche Nervenbündel in den Nerven stimuliert wurden, konnte Sørensen fühlen, ob die Informationen vom Daumen, Zeigefinger oder kleinen Finger stammten.

Im Vergleich zu den Forschern aus Cleveland erreichten die Europäer ein präziseres taktiles Feedback, weil die Elektroden direkt in den Nervenfasern steckten. Allerdings erhöht das auch das Risiko von Nervenschädigungen. Zudem scheint mit der Zeit die Signalqualität zu sinken. Dies zeigte sich auch bei dem vierwöchigen Experiment mit Sørensen. Am Ende mussten die Forscher die Stromstärke immer weiter erhöhen, um die gleichen Empfindungen wie in der ersten Woche auszulösen.

Die Fokus-Artikel im Einzelnen:

Seite 62 - Cyborg: Mensch und Maschine auf dem Weg zur Einheit?

Seite 70 - Wearables: So nah und natürlich wie möglich mit dem Computer interagieren

Seite 73 - Spracherkennung: Maschinen lernen, immer mehr zu verstehen

Seite 74 - Empathie: Computer lesen menschliche Gefühle

Seite 76 - Gestensteuerung: Arm- und Handbewegungen lösen Maus und Keyboard ab

Seite 78 - Schnittstellen: Die Palette der Eingabetechniken wird immer bunter

Seite 80 - Usability: Wie lässt sich das IT-Design besser auf die User-Bedürfnisse zuschneiden?

Seite 82 - Missverständnisse: Kleine Kommunikationsfehler lösen manchmal große Katastrophen aus

(jlu)