Bionic Knöchel „emuliert die Natur“

Heutzutage erhält Hugh Herr, außerordentlicher Professor für Medienkunst und Medienwissenschaft am MIT, täglich etwa 100 E-Mails von Menschen aus der ganzen Welt, die sich für seine bionischen Gliedmaßen interessieren.

Es kommen Nachrichten von Amputierten, die Prothesen suchen, und von Medien, die Interviews suchen. Dann gibt es Studenten, die in Herrs Forschungsgruppe einsteigen wollen. Die Technik begeistert junge Leute für den Einstieg, das sei wunderbar, sagt Herr.

Es ist ein Zeichen für die bahnbrechende Arbeit, die Herr in den letzten zwei Jahrzehnten am MIT Media Lab geleistet hat. Der selbst amputierte Herr hat bionische Beinprothesen entworfen (und getragen), die, wie er sagt, die Natur nachahmen – die Funktionen und die Kraft von biologischen Knien, Knöcheln und Waden nachahmen.

Im vergangenen Monat machte Herrs TED-Talk Schlagzeilen, als Adrianne Haslet-Davis, eine professionelle Tänzerin, deren Bein nach den Bombenanschlägen beim Boston-Marathon 2013 teilweise amputiert wurde, eine seiner Prothesen benutzte, um auf der Bühne zu rumba.

Foto: Bryce Vickmark

Die meisten dieser Prothesen haben die Welt durch Herrs Startup BiOM (ursprünglich iWalk genannt) erreicht. Seit 2010 hat das Unternehmen weltweit mehr als 900 Patienten, darunter etwa 400 Kriegsveteranen, das weltweit erste bionische Fuß- und Wadensystem zur Verfügung gestellt.

Es ist immer gut, etwas zu entwerfen, das die Leute verwenden. Es ist toll, Wissenschaft zu betreiben, ja, aber es ist auch toll zu sehen, wie die Menschheit etwas nutzt, was man erfunden hat, sagt Herr und fügt hinzu: Die Übersetzung von Technologie aus dem Labor hält Ingenieure ehrlich.

Ursprünglich von Herrns Forschungsgruppe entwickelt, simuliert die BiOM-Prothese, die als BiOM T2-System bezeichnet wird, einen biologischen Knöchel (und einen verbundenen Wadenmuskel) und bietet eine natürliche Knöchelfunktion während der Schritte.

Mit einem batteriebetriebenen bionischen Antrieb passen zwei Mikroprozessoren und sechs Umgebungssensoren die Knöchelsteifigkeit, -leistung, -position und -dämpfung tausendmal pro Sekunde an zwei Hauptpositionen an: Erstens steuert das System beim Fersenauftritt die Knöchelsteifigkeit, um Stöße zu absorbieren und schiebe das Schienbein nach vorne. Dann erzeugen Algorithmen je nach Gelände schwankende Kraft, um einen Träger nach oben und vorne zu treiben.

Bei der Anpassung der Prothese an den Patienten können Prothetiker mithilfe der von Herrs Gruppe entwickelten Software die entsprechende Steifigkeit und Kraft in allen Stadien des Gangs programmieren – ein Verfahren, das das Unternehmen Personal Bionic Tuning nennt.

Unter anderem stellt das System den natürlichen Gang, das Gleichgewicht und die Geschwindigkeit wieder her; senkt die Gelenkbelastung; und verkürzt die erforderliche Zeit zur Eingewöhnung an die Prothese (die bei herkömmlichen Modellen Wochen oder Monate dauern kann) drastisch. Oft läuft ein Patient innerhalb von Minuten herum, ja, er rennt sogar herum, sagt Herr, Chief Technology Officer von BiOM.

Das System, so Herr, könnte auch dazu beitragen, Arthrose, eine altersbedingte Gelenkerkrankung und Beinbelastung, zu verhindern, indem es Waden- und Knöchelkraft und -unterstützung auch im Alter bietet.

Von der Bank zum Bett kommen

In den 1990er und frühen 2000er Jahren begann Herr, der 1982 nach einem Kletterunfall beide Beine verlor, die Mängel konventioneller Prothesen zu erforschen und die Funktionsweise des Sprunggelenks beim Gehen mathematisch zu modellieren.

Unter anderem versteift sich der Knöchel und sorgt für Vortrieb (im Nachlaufbein) beim Schritt, was den Aufprall auf das Vorderbein abmildert und die Beingelenke und den Rücken entlastet. Wenn Amputierte konventionelle Prothesen tragen – die auf Federn oder Hydraulik angewiesen sind und nicht mehr Energie freisetzen als sie aufnehmen – gehen sie langsamer, verbrauchen mehr Stoffwechselenergie und erfahren eine stärkere Belastung des Bewegungsapparates, die Gelenkarthrose verursacht.

Die wissenschaftliche und technische Forschung, die letztendlich zur heutigen BiOM-Prothese führte, wurde von Herrns Forschungsgruppe im MIT Media Lab durchgeführt. Seit 2003 hat die Gruppe viele prothetische Prototypen entworfen und hergestellt, um Hypothesen zur Mensch-Maschine-Interaktion zu testen. Mehrere davon – Prototypendesigns mit freiliegenden mechanischen Teilen und Schleifendrähten – sind im MIT Media Lab ständig ausgestellt.

Noch heute kann sich Herr erinnern, zum ersten Mal in den ersten bionischen Beinprototyp der Gruppe – und dann zurück zu einer traditionellen Prothese – eingestiegen zu sein.

Es war so tiefgründig wie wenn man durch den Flughafen läuft und auf den Fahrsteig trifft. Wenn Sie aussteigen und zum normalen Gehen zurückkehren, denken Sie: „Gehen ist wirklich anstrengend und langsam“, sagt er. So war es, von unserem angetriebenen System zu passiven konventionellen Systemen zu wechseln. Ich wusste also, dass es klinisch Magie gibt.

Herrs Erfahrung bei der Vermarktung eines computergesteuerten Kniegelenks – das von seiner Gruppe für das isländische Unternehmen Ossur entwickelt wurde – inspirierte ihn 2006 zur Einführung von iWalk. Das Knie, das heute von Tausenden von Patienten weltweit verwendet wird, verwendet Eisenpartikel, die in Öl zwischen Stahlplatten schweben und manipuliert werden durch ein elektromagnetisches Feld, um sich während des Gangs eines Trägers entweder zu versteifen oder zu entspannen.

Bei Ossur gab es einen heftigen und zeitaufwändigen Technologietransfer – aber die Gründung eines MIT-Startups stellte unter anderem sicher, dass eine Kerngruppe von Erfindern erhalten blieb, um das Produkt zu erneuern und zu kommerzialisieren.

Ich denke immer daran, den Zeit- und Investitionsaufwand für den Weg von der Bank zum Bett zu minimieren, sagt Herr. Die Gründung eines Unternehmens ist eine Möglichkeit, diese Effizienz zu steigern. Und es ist ideal für Leidenschaft: Erfinder kümmern sich einfach sehr um ihre Erfindungen, und diese Leidenschaft und dieses Engagement befeuern den wirtschaftlichen Fortschritt.

Das heutige BiOM-System hat mehr als 20 Iterationen durchlaufen, finanziert durch ungefähr 50 Millionen US-Dollar an Risikokapital und Zuschüssen – und das Unternehmen entwickelt und innoviert weiter. Das BiOM-Knöchelsystem verbessert sich nicht nur von Monat zu Monat, Jahr für Jahr, sondern das Unternehmen plant auch, zusätzliche bionische Produkte auf den Markt zu bringen, um einer größeren Anzahl von Menschen Hilfestellung zu bieten, sagt Herr.

Arthrose, humanoides Design und persönliche Bionik

Das übergeordnete Ziel von BiOM besteht darin, kostspielige Erkrankungen wie Arthrose zu verhindern. Mit zunehmendem Alter führen der Verlust schneller Muskelfasern und übermäßige Kraft dazu, dass die Knöchel- und Wadenmuskulatur an Kraft verliert, was zu schmerzhaften Gelenkerkrankungen wie Kniearthrose und Kreuzschmerzen führt – teilweise verursacht durch unbeholfene, hinkende Gangarten. In der älteren Bevölkerung ist Gelenkarthrose eine der Hauptursachen für Mobilitätseinschränkungen.

Zumindest bei Amputierten, sagt Herr, könnte BiOM helfen, indem es älteren Bevölkerungsgruppen Beinprothesen anpasst, die in biomechanischer Agilität und Kontrolle denen junger Erwachsener gleich sind: Wir befinden uns in einer Position, in der wir 18-jährigen Wadenmuskeln Patienten unabhängig ansetzen können ihres Alters und mildert das Problem der Gelenkarthrose in allen Bevölkerungsgruppen, sagt Herr.

Durch die Weiterentwicklung von Prothesen, sagt Herr, könnte die Technologie auch zu Innovationen in einem eng verwandten Bereich führen: der humanoiden Robotik. Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der wir bionische Füße, Knöchel, Knie und Hüften haben werden, die technologisch optimal sind. Man könnte diese Teile einfach zu einer humanoiden Hardwareplattform zusammenfügen, sagt Herr.

Aber letztendlich zielen die Arbeiten von BiOM und Herrs Gruppe am MIT darauf ab, die Idee der persönlichen Bionik zu revolutionieren und die Grenzen zwischen Elektromechanik und dem menschlichen Körper zu verwischen. So arbeitet seine MIT-Gruppe unter anderem an bionischen Gliedmaßen, die vom Geist gesteuert und mit dem Körper verbunden werden können.

Wenn wir in dieses Jahrhundert eintreten, wird die Technologie mit unserem Körper vertrauter, sagt Herr. Der bionische Designansatz basiert auf der biologischen Wissenschaft, die versucht, grundlegend zu verstehen, wie unser Körper und unser Gehirn funktioniert, und dieses Wissen in Technologie übersetzt, die diese Prinzipien widerspiegelt, was zu einer Welt führt, in der Technologie, weil sie so von Natur aus menschlich ist, im Wesentlichen verschwindet.

verbergen