Gedankenkraft bewegt künstlichen Arm

Als Luke Skywalker im Star-Wars-Film „Das Imperium schlägt zurück“ im Laserschwertkampf mit Darth Vader eine Hand verliert, erhält er eine voll funktionstüchtige Handprothese als Ersatz. Diese sieht nicht nur aus wie eine echte Hand, sondern ist auch in allen Belangen ebenso funktionstüchtig. Luke kann seine Laserwaffe in der gewohnten Schwerthand führen.

Mit einem ähnlichen Anspruch und ebenfalls vor militärischem Hintergrund tritt jetzt auch die US-amerikanische Behörde für Wissenschaftsförderung DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) an: Sie will für Soldaten, die im Kampf einen Arm verloren haben, innerhalb weniger Jahre eine Prothese entwickeln lassen, die es in Sachen Kraft, Gefühl und Geschicklichkeit mit den biologischen Vorbildern aufnehmen und das abgetrennte Gliedmaß vollwertig ersetzen kann. Deshalb schart die DARPA, der zivile Arm der US-Militärforschung, die weltweit führenden Wissenschaftler auf dem Gebiet der Neuroprothetik um sich, um auf den neuesten Stand der Technik aufzubauen und die noch nötigen Entwicklungen mit Hochdruck voranzutreiben.

„Bei der DARPA sehen wir eine Zukunft, in der ein Soldat, der im Kampf ein Arm verloren hat, diese Extremität wieder richtig benutzen kann. Und diese Zukunft werden wir durch revolutionäre, vom Gehirn gesteuerte Prothesen möglich machen“, gibt sich Colonel Geoffrey Ling, Leiter des Armprothesen-Programms, kämpferisch. Das bedeutet, dass versehrte Soldaten den künstlichen Arm kraft ihrer Gedanken über die durchtrennten Armnerven steuern können sollen – genau so wie in ihrem natürlichen Arm die Nerven die Befehle des Gehirns an die Muskeln weitergeben.

Die Zukunft laut DARPA soll so aussehen: Im Armstumpf werden seitlich an jedem der fünf großen Armnerven, die bei der Amputation durchtrennt wurden, wenige Quadratmillimeter große Elektrodenarrays befestigt. Sie fungieren als Schnittstellen, horchen also sozusagen auf die Signale aus dem Gehirn, registrieren sie und leiten sie über einen Chip per Funk an einen Taschencomputer außerhalb des Körpers weiter.

Der Minicomputer, den der Soldat zum Beispiel am Gürtel trägt, übersetzt die Nervensignale in Steuerbefehle und funkt sie an ein zweites Interface im künstlichen Arm weiter. Sobald der Soldat also an eine Bewegung denkt, führt der bionische Arm ihn bereits aus. Umgekehrt soll auch der künstliche Arm über den Taschencomputer und die elektronischen Schaltstellen im Arm Informationen an das Gehirn senden können. So soll der Prothesenträger zum Beispiel wissen, in welcher Position sich der Arm gerade befindet und wie sich das Objekt anfühlt, das er in der künstlichen Hand hält.

Um dieses Ziel zu erreichen, bedarf es einer ganzen Reihe von technischen Innovationen, denn der jetzige Stand der Technik ist noch ein ganzes Stück von der Vision entfernt. Deshalb hat die DARPA das zweistufige Revolutionizing-Prosthetics-Programm gestartet und sich einen engen Zeitplan für einen Prototypen gesetzt, der bereits im Jahr 2009 bereit für klinische Studien sein soll. Teile des Projekts sollen sogar schon 2007 fertig gestellt sein.

So sollen in dem ersten Teilprojekt bis 2007 die Mechanik des bionischen Arms sowie eine natürlich aussehende künstliche Haut entwickelt werden. Eine Schwierigkeit dabei ist, dass die Prothese maximal vier Kilogramm, also genau so viel wie ein natürlicher Arm wiegen und auch ähnlich große Kräfte aufbringen soll. Das können bisherige Prothesen nicht leisten. Zudem soll der bionische Arm 22 Freiheitsgrade haben, also 22 Bewegungsmöglichkeiten für die verschiedenen Gelenke. Das ist eine ziemliche Herausforderung, denn die beste Prothese auf dem Markt hat gerade einmal sechs Freiheitsgrade. Die künstliche Haut wiederum soll ebenso elastisch sein wie ihr biologisches Pendant. Die DARPA finanziert diese von dem US-Unternehmen DEKA Research and Development Corp. geleitete Phase mit 14,2 Millionen Euro. Die DEKA wird ihrerseits Teilaufträge an zahlreiche Universitäten, Forschungsinstitute und Unternehmen vergeben. Parallel dazu ist das Teilprojekt „Revolutionizing Prosthetics 2009“ angelaufen. Das Ziel ist die Entwicklung der Sensorik für den künstlichen Arm, der Elektrodenarrays samt Chip, bioverträglicher Hülle und drahtloser Energieversorgung sowie die elektronische Schnittstelle in der Prothese. Diesen Auftrag sicherte sich das Applied Physics Laboratory an der Johns Hopkins University in Baltimore und erhält dafür in den ersten beiden Jahren 23,8 Millionen Euro. Zur Halbzeit findet eine strenge Auswertung der Ergebnisse statt. Nur wer nicht für zu leicht befunden wird, darf in der zweiten Stufe bis 2009 weitermachen. Dann winken weitere 19,3 Millionen Euro. Zu den 30 Partnern, die Teilaufträge erhalten haben, gehören auch zwei deutsche Fraunhofer-Institute sowie deutsche Wissenschaftler an der University of Utah.

Die Schnittstelle im Armstumpf besteht aus je einem drei mal drei Millimeter großen Elektrodenarray, das auf einem Chip sitzt. Das Array wird an der University of Utah aus einem Vorläufermodell, das für die Tiefenhirnstimulation bei Parkinson-Kranken konzipiert wurde, weiterentwickelt. Es sieht aus wie ein kleines Nadelkissen: Aus dem Chip ragen 100 bis zu zwei Millimeter lange Elektroden hervor. Diese sind nicht alle gleich lang, sondern ihre Länge nimmt von einer Seite des Chips zur anderen ab. So kann man das Array in die Nerven hineinstechen und Kontakt zu einer möglichst großen Anzahl von Nervenfasern darin herstellen. Auf diese Weise können die Armmuskeln relativ genau angesteuert werden. Der Chip wird über eine winzige Spule, die auf ihrer Rückseite sitzt, drahtlos über Induktion mit Energie versorgt: Die notwendigen 3,3 Volt soll eine kleine Sendespule außerhalb des Körpers liefern, die wahrscheinlich am Taschencomputer befestigt sein wird. Zum Vergleich: Würde man Lithiumbatterien als Energiequelle nehmen, würde man allein dafür ein Gewicht von zehn Kilogramm mit sich herumtragen.

Die Aufgabe, das Elektrodenarray mit dem Chip zu verbinden und eine drahtlose Energieversorgung dafür zu entwickeln, übernimmt das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin. „Wir werden noch einige Simulationen fahren müssen, denn die Sendespule muss alle vier oder fünf Minispulen an den Elektrodenarrays im Armstumpf erreichen“, erzählt Michael Töpfer, der als Vertreter des IZM an der University of Utah arbeitet. Aber das Herstellungsverfahren für die Elektrodenspulen sei in Berlin bereits etabliert und bereit für die Serienproduktion.

Die biokompatible, mehrschichtige Umkapselung für die Elektrodenschnittstelle entsteht am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT) in St. Ingbert. Diese Hülle muss zahlreichen Anforderungen standhalten. So soll ihr Material weder vom Körper abgestoßen noch von den Ionen im Körper korrodiert werden. Ihre Außenschicht muss stabil genug sein, um von den Implantationswerkzeugen nicht beschädigt zu werden, aber auch weich genug, um das umgebende Gewebe nicht zu verletzen. „Wir werden eine Silikonverbindung nehmen, die medizinisch unbedenklich ist“, sagt Klaus-Peter Koch, der die Entwicklung dafür am IBMT leitet.

Weitere Forschungspartner werden die Sensorik im Arm und den Taschencomputer für die Übersetzung der Nervensignale in Steuerbefehle – und auch andersherum – entwickeln. Bei dieser Übersetzungarbeit wurden jüngst große Fortschritte gemacht. So hat die DARPA nach eigenen Angaben im Human Assisted Neural Device (HAND) Program die motorischen Signale aus dem Gehirn mit großer Genauigkeit entschlüsselt. Man ist deshalb zuversichtlich, die Kontrolle des künstlichen Armes sozusagen per Gedankenkraft in wenigen Jahren zu erreichen. Prothesenträger müssten dann nur noch ihr Gehirn trainieren, mit der Prothese umzugehen, damit sie das ausführt, was man denkt. Aber schließlich läuft das mit einem natürlichen Arm auch nicht anders.

Die neue Armprothese wird mit 30.000 bis 50.000 Dollar voraussichtlich so viel wie ein neuer Wagen kosten. Dennoch werden die fast 400 Soldaten, die bislang allein in den Irak- und Afganistan-Kriegen einen Arm oder ein Bein, manchmal sogar mehrere Extremitäten verloren haben, die neue Entwicklung willkommen heißen. (wst)