Mit kognitiven Strategien zu einem zusätzlichen Roboterarm
Der Neuroingenieur Silvestro Micera entwickelt fortschrittliche technologische Lösungen, um Menschen dabei zu helfen, sensorische und motorische Funktionen wiederzuerlangen, die aufgrund von traumatischen Ereignissen oder neurologischen Störungen verloren gegangen sind. Bisher hatte er noch nie daran gearbeitet, den menschlichen Körper und die Kognition mit Hilfe von Technologie zu verbessern.
In einer in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlichten Studie berichten Micera und sein Team nun, wie die Bewegungen des Zwerchfells überwacht werden können, um einen zusätzlichen Arm erfolgreich zu steuern, so dass ein gesunder Mensch mit einem dritten – robotischen – Arm ausgestattet wird.
«Diese Studie eröffnet neue und aufregende Möglichkeiten, denn sie zeigt, dass zusätzliche Arme umfassend kontrolliert werden können und dass die gleichzeitige Kontrolle mit beiden natürlichen Armen möglich ist», sagt Micera, Inhaber des Bertarelli-Stiftungslehrstuhls für Translational Neuroengineering an der EPFL und Professor für Bioelektronik an der Scuola Superiore Sant'Anna.
Die Studie ist Teil des Projekts «Third-Arm», das zuvor vom Schweizerischen Nationalfonds (NCCR Robotics) finanziert wurde und das darauf abzielt, einen tragbaren Roboterarm zu entwickeln, der bei alltäglichen Aufgaben oder bei Such- und Rettungseinsätzen helfen kann. Micera ist der Ansicht, dass die Erforschung der kognitiven Grenzen der Steuerung eines dritten Arms zu einem besseren Verständnis des menschlichen Gehirns führen kann.
Micera fährt fort: «Die Hauptmotivation für die Steuerung des dritten Arms besteht darin, das Nervensystem zu verstehen. Wenn man das Gehirn herausfordert, etwas völlig Neues zu tun, kann man lernen, ob das Gehirn dazu in der Lage ist und ob es möglich ist, dieses Lernen zu erleichtern. Dieses Wissen können wir dann nutzen, um zum Beispiel Hilfsmittel für Menschen mit Behinderungen oder Rehabilitationsprotokolle nach einem Schlaganfall zu entwickeln.»
«Wir wollen verstehen, ob unser Gehirn fest verdrahtet ist, um das zu kontrollieren, was die Natur uns gegeben hat, und wir haben gezeigt, dass das menschliche Gehirn sich anpassen kann, um neue Gliedmassen zusammen mit unseren biologischen Gliedmassen zu koordinieren», erklärt Solaiman Shokur, Co-PI der Studie und leitender Wissenschaftler der EPFL am Neuro-X Institut: «Es geht darum, neue motorische Funktionen zu erwerben, die über die bestehenden Funktionen hinausgehen, sei es ein gesundes oder ein behindertes Individuum. Vom Standpunkt des Nervensystems aus betrachtet, handelt es sich um ein Kontinuum zwischen Rehabilitation und Augmentation.»
Um die kognitiven Einschränkungen der Augmentierung zu erforschen, bauten die Forschenden zunächst eine virtuelle Umgebung, um die Fähigkeit eines gesunden Benutzers zu testen, einen virtuellen Arm durch die Bewegung seines Zwerchfells zu steuern. Sie fanden heraus, dass die Zwerchfellkontrolle nicht mit Handlungen wie der Steuerung der eigenen physiologischen Arme, der Sprache oder des Blicks interferiert.
In diesem Virtual-Reality-Setup wird der Benutzende mit einem Gürtel ausgestattet, der die Zwerchfellbewegung misst. Der Benutzende trägt ein Virtual-Reality-Headset und sieht drei Arme: den rechten Arm und die rechte Hand, den linken Arm und die linke Hand sowie einen dritten Arm zwischen den beiden mit einer symmetrischen, sechsfingrigen Hand.
«Wir haben diese Hand symmetrisch gestaltet, um eine Bevorzugung der linken oder rechten Hand zu vermeiden», erklärt Giulia Dominijanni, Doktorandin am Neuro-X Institut der EPFL.
In der virtuellen Umgebung wird die Benutzerin oder der Benutzer dann aufgefordert, entweder mit der linken Hand, der rechten Hand oder in der Mitte mit der symmetrischen Hand zu greifen. In der realen Umgebung hält sich der Benutzende mit beiden Armen an einem Exoskelett fest, das die Kontrolle über den virtuellen linken und rechten Arm ermöglicht. Die vom Gürtel um das Zwerchfell erfasste Bewegung wird für die Steuerung des mittleren, symmetrischen Arms verwendet. Der Aufbau wurde an 61 gesunden Probandinnen und Probanden in über 150 Sitzungen getestet.
«Die Zwerchfellsteuerung des dritten Arms ist tatsächlich sehr intuitiv, und die Teilnehmenden lernen sehr schnell, die zusätzliche Gliedmasse zu steuern», erklärt Dominijanni, «ausserdem ist unsere Steuerungsstrategie von Natur aus unabhängig von den biologischen Gliedmassen, und wir haben gezeigt, dass die Zwerchfellsteuerung die Fähigkeit des Benutzers, kohärent zu sprechen, nicht beeinträchtigt.»
Die Forschenden testeten die Zwerchfellsteuerung auch erfolgreich mit einem echten Roboterarm, einem vereinfachten Arm, der aus einer Stange besteht, die aus- und wieder eingefahren werden kann. Wenn die oder der Benutzende das Zwerchfell zusammenzieht, wird die Stange ausgefahren. In einem Experiment, das der VR-Umgebung ähnelt, wird sie aufgefordert, Zielkreise mit der linken oder rechten Hand oder mit dem Roboterstab zu erreichen und darüber zu schweben.»
Neben dem Zwerchfell, über das in der Studie jedoch nicht berichtet wird, wurden auch rudimentäre Ohrmuskeln auf ihre Machbarkeit bei der Ausführung neuer Aufgaben getestet. Bei diesem Ansatz wird eine Benutzerin mit Ohrsensoren ausgestattet und darauf trainiert, feine Ohrmuskelbewegungen zu nutzen, um die Bewegung einer Computermaus zu steuern.
«Die Benutzenden könnten die Ohrmuskeln potenziell zur Steuerung einer zusätzlichen Gliedmasse verwenden», sagt Shokur und betont, dass diese alternativen Steuerungsstrategien eines Tages bei der Entwicklung von Rehabilitationsprotokollen für Menschen mit motorischen Defiziten hilfreich sein könnten.
Frühere Studien zur Steuerung von Roboterarmen, die Teil des Drittarm-Projekts sind, konzentrierten sich auf die Unterstützung von Amputierten. Die jüngste Studie von Science Robotics geht einen Schritt über die Reparatur des menschlichen Körpers hinaus in Richtung Augmentation.
«Unser nächster Schritt besteht darin, den Einsatz komplexerer Robotergeräte mit unseren verschiedenen Steuerungsstrategien zu erforschen, um reale Aufgaben sowohl innerhalb als auch ausserhalb des Labors zu erfüllen. Erst dann werden wir in der Lage sein, das wahre Potenzial dieses Ansatzes zu erfassen», schliesst Micera.
