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Roboterglieder, die sich mit dem Gehirn verbinden
Die meisten Roboterarme, die heute von einigen Amputierten verwendet werden, sind von begrenzter Praktikabilität; Sie haben nur zwei bis drei Freiheitsgrade, sodass der Benutzer jeweils nur eine Bewegung ausführen kann. Und sie werden mit bewusster Anstrengung gesteuert, sodass der Benutzer während der Bewegung der Gliedmaßen kaum etwas anderes tun kann.
Lebensechte Gliedmaßen: Eine gehirngesteuerte Armprothese, die am Applied Physics Lab der Johns Hopkins University mit Mitteln der DARPA entwickelt wird, könnte Amputierten viel anspruchsvollere Bewegungen ermöglichen.
Eine neue Generation viel ausgereifterer und lebensechter Armprothesen, die von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) des Verteidigungsministeriums gesponsert werden, könnte innerhalb der nächsten fünf bis zehn Jahre verfügbar sein. Zwei unterschiedliche Prototypen, die sich mit der Fingerfertigkeit einer natürlichen Gliedmaße bewegen und theoretisch ebenso intuitiv gesteuert werden können – mit elektrischen Signalen, die direkt aus dem Gehirn aufgenommen werden – gehen nun in die Erprobung am Menschen.
Erste Ergebnisse einer dieser Studien – die ersten Tests eines gelähmten Menschen, der einen Roboterarm mit mehreren Freiheitsgraden steuert – werden auf der Konferenz der Society for Neuroscience im November vorgestellt.
Die neuen Designs haben eine unabhängige Bewegung von etwa 20 Grad, einen deutlichen Sprung gegenüber bestehenden Prothesen, und können über eine Vielzahl von Schnittstellen bedient werden. Ein Gerät, entwickelt von DEKA Forschung und Entwicklung , kann über ein Hebelsystem im Schuh bewusst gesteuert werden.
In einem invasiveren, aber auch intuitiveren Ansatz werden Amputierte operiert, um die verbleibenden Nerven ihrer verlorenen Gliedmaßen in die Brustmuskulatur zu verlegen. Wenn Sie daran denken, den Arm zu bewegen, zieht sich die Brustmuskulatur zusammen, was wiederum die Prothese bewegt. Dieser Ansatz funktioniert jedoch nur bei Patienten mit genügend verbleibender Nervenkapazität und bietet ein begrenztes Maß an Kontrolle. Um die Fingerfertigkeit dieser Prothesen voll auszuschöpfen und sie wie einen echten Arm funktionieren zu lassen, wollen Wissenschaftler sie mit Gehirnsignalen steuern.
Wenn Sie einen Gegenstand aufheben, weiß Ihr Gehirn automatisch, dass es das Handgelenk dreht und die Finger bewegt, sagt Michael McLoughlin, der die Entwicklung einer der Prothesen an der Labor für Angewandte Physik (APL) an der Johns-Hopkins-Universität. Wir wollen ein geschicktes Glied und die Fähigkeit, es auf natürliche Weise zu kontrollieren, sowie ein gewisses Maß an taktilem Feedback.
Begrenzte Tests von neuralen Implantaten bei schwer gelähmten Patienten wurden in den letzten fünf Jahren durchgeführt. Ungefähr fünf Menschen wurden bisher Chips implantiert, und sie konnten Cursor auf einem Computerbildschirm steuern, einen Rollstuhl fahren und sogar einen Greifer an einem sehr einfachen Roboterarm öffnen und schließen. Umfangreichere Tests an Affen, denen ein kortikaler Chip implantiert wurde, zeigen, dass die Tiere lernen können, eine relativ einfache Armprothese auf nützliche Weise zu steuern, indem sie damit ein Stück Marshmallow greifen und essen.
Der nächste große Schritt ist die Frage, wie viele Dimensionen Sie kontrollieren können. sagt John Donogue , einem Neurowissenschaftler an der Brown University, der Gehirn-Computer-Schnittstellen entwickelt. Um nach Wasser zu greifen und es zum Mund zu führen, sind etwa sieben Freiheitsgrade erforderlich. Der gesamte Arm hat in der Größenordnung von 25 Freiheitsgraden. Donoghues Gruppe, die frühere Tests von kortikalen Implantaten bei Patienten überwacht hat, hat jetzt zwei gelähmte Freiwillige, die den DEKA-Arm testen. APL-Forscher haben eine zweite Armprothese mit noch größerem Bewegungsrepertoire entwickelt und die Erlaubnis für Humantests beantragt. In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der University of Pittsburgh und des Caltech wollen sie 2011 mit der Implantation von Patienten mit Rückenmarksverletzungen beginnen.
Freiwillige in dieser Studie erhalten zwei verschiedene kortikale Chips, von denen jeder 100 Aufzeichnungselektroden trägt. Wissenschaftler hoffen, dass die Verdoppelung der Fähigkeit, auf das Gehirn zu hören, genügend unabhängige Signale liefert, um komplexere Bewegungen auf dem hochentwickelten APL-Arm zu ermöglichen. Dies ist ein sehr geschickter und anthropomorpher Arm, sagt Andrew Schwartz , einer der an der Studie beteiligten Neurowissenschaftler. Die Informationsbandbreite, die Sie zur Steuerung des Geräts benötigen, ist viel höher.
Die Forscher aus Pittsburgh werden auch neue Chips in Kombination mit Telemetriesystemen testen, die einen Teil der aufgezeichneten Informationen auf dem Chip verarbeiten, bevor sie an einen in der Brust implantierten Prozessor gesendet werden. Der Prozessor steuert dann den Arm drahtlos. Aktuelle Versionen, die bei Menschen und Affen im Einsatz sind, senden Informationen über Drähte, die aus dem Schädel kommen, was das Infektionsrisiko langfristig erhöht. Während das neue Setup dem von Herzschrittmachern und Geräten zur tiefen Hirnstimulation ähnlich sein wird, führt eine Armprothese komplexere Funktionen aus als ein Schrittmacher, und daher werden mehr Informationen zu seiner Steuerung benötigt. Kein implantierbares Gerät verfügt über ein Telemetriesystem, das diese Bandbreite beherrscht, sagt Schwartz. Diese Technologie wird ein großer Schritt sein.
Die Forscher aus Pittsburgh wollen schließlich auch den Armen sensorische Fähigkeiten verleihen, indem sie Materialien hinzufügen, die Wärme und andere Eigenschaften wahrnehmen und diese Informationen an einen dritten Chip übermitteln, der in einen Teil des Gehirns implantiert wird, der sensorische Reize verarbeitet.
Es ist noch nicht klar, was die höchste Komplexität in Bezug auf die Steuerung des Arms sein wird. Wir hoffen, mindestens 11 Freiheitsgrade zu schaffen, sagt Schwartz. Sein Team hat Algorithmen entwickelt, die in Echtzeit sieben Bewegungsfreiheitsgrade bei Affen ableiten können. Wie werden wir auf 20 oder 30 aufsteigen? Wir wissen es nicht, vielleicht brauchen wir neue Algorithmen, vielleicht mehr Elektroden, sagt Schwartz.
Auch wenn die Tests erfolgreich verlaufen, stehen die Forscher vor einer großen Herausforderung; sie müssen zeigen, dass das invasive kortikale Kontrollsystem deutlich besser ist als nichtinvasive Ansätze. Amputierte, die die schuhgesteuerte Schnittstelle verwenden, können Kisten aufnehmen, eine Bohrmaschine bedienen und sogar Essstäbchen verwenden. Wenn Sie amputiert wären und das mit Schuhen tun könnten, würden Sie dann einen Sensor in Ihr Gehirn einbauen lassen? fragt Donoghue. Dies kann eine Frage der persönlichen Präferenz und des Risikos und des Nutzens sein, den jede Person zu tolerieren bereit ist. Vielleicht, weil es natürlicher ist und Sie gehen und andere Dinge tun können.