Mechanische Hand kann fühlen

14.10.2014

Dank neuer Technologie kann ein Mensch mit einer Handprothese unterscheiden, welchen der künstlichen Finger er Gegenstände berührt. Neben einer verbesserten Sensibilität haben Wissenschaftler auch eine bequemere Methode entwickelt, um künstliche Hände am Körper zu befestigen.

Eine ideale Gliedmaßenprothese sollte die gleichen Eigenschaften haben wie eine echte Gliedmaße – sie sollte sich genauso bewegen und anfühlen. Bei der Mobilität von künstlichen Armen und Beinen wurden erhebliche Fortschritte erzielt, aber wie steht es mit der Sensibilität? Wir fühlen uns kalt, warm, wir können einen Stift von Sandpapier unterscheiden, dank vieler spezieller Rezeptoren, die sich in der Haut befinden und mit dem Gehirn verbunden sind. Ist es möglich, ein ähnliches Empfindlichkeitssystem in einer Prothese herzustellen?

Für die Entwickler biomechanischer Prothesen bestand eine der Hauptaufgaben darin, den mechanischen Druck in der Prothese richtig zu spüren. Wenn jemand beispielsweise mit einer künstlichen Hand ein Glas nehmen möchte, muss er die Griffstärke berechnen, um es nicht zu zerdrücken, und dazu muss er nur den Druck der Glasoberfläche auf den Fingern und der Handfläche genau spüren. Seit fast 40 Jahren laufen Experimente, in denen Neurowissenschaftler versuchen, mit elektronischen Drucksensoren eine zufriedenstellende Rückkopplung zwischen dem Gehirn und einer künstlichen Hand herzustellen. Der Erfolg wurde jedoch erst vor kurzem erzielt: Silvestro Micera (Silvestro Micera) von der Eidgenössischen Polytechnischen Schule Lausanne (Schweiz) und seine Kollegen berichteten im Februar auf den Seiten von Science Translational Medicine, dass es ihnen gelang, eine Hand zu schaffen, die nicht nur konnte Nehmen Sie vorsichtig ein Glas, sondern und um durch Berührung einen runden Gegenstand von einem eckigen zu unterscheiden.

Die biomechanische Prothese war mit Sensoren ausgestattet, die den Druck der Hand auf das Objekt anhand der Spannung in den künstlichen Sehnen schätzten, die die Bewegungen der Finger steuern. In Übereinstimmung mit dieser Spannung erzeugten die Sensoren ein elektrisches Signal, das das Nervensystem in dieser Form jedoch nicht verstehen würde, sodass ein Algorithmus benötigt wurde, der das Signal in eine für das Nervensystem verständliche Sprache umwandelte. Der umgewandelte Impuls durch die Elektroden trat in die Nerven der überlebenden Schulter ein.

Einige Monate später erschien jedoch ein weiterer Artikel in Science Translational Medicine, in dem eine Gruppe von Forschern der Case Western Reserve University (USA) behauptet, es sei ihnen gelungen, eine empfindlichere Prothese herzustellen. Sie verwendeten mehr als ein Dutzend Drucksensoren, die in elektrische Impulse unterschiedlicher Stärke und Dauer umgewandelt wurden. Diese Impulse wurden über drei unter die Haut implantierte Elektroden an die Nerven weitergeleitet. Jede Elektrode war nur mit einem Nerv verbunden, aber es gab viele Verbindungspunkte zwischen ihnen: Zwei Personen mit amputierten Händen nahmen an der Studie teil, einer von ihnen hatte einen Nerv, der mit zwanzig Kontakten mit der Elektrode verbunden war, der andere hatte eine kleinere Anzahl. Dadurch erreichten die Designer eine größere Detailgenauigkeit der Empfindungen: Eine Person konnte unterscheiden, was genau sie mit einem künstlichen kleinen Finger oder einem künstlichen Daumen die Oberfläche berührt.

Außerdem konnten Probanden mit künstlichen Händen zum Beispiel Sandpapier von einer glatten oder gerippten Oberfläche unterscheiden, und wenn die Hand gleichzeitig auf zwei Oberflächen lag, konnte die Person sagen, welcher Teil der Hand was fühlte. Die mechanische Hand ermöglichte es, eine Beere aufzuheben, ohne sie zu beschädigen, und Zahnpasta auf eine Zahnbürste zu schmieren – ziemlich subtile Aktionen, die eine Koordination von Empfindungen und angewandter Kraft erfordern. Die Zuverlässigkeit der Empfindungen hing von der Anzahl der "Eingänge" zwischen der Elektrode und dem Nerv sowie von der Genauigkeit der Computersignaltransformationen ab. Beschränkten sich früher die Empfindungen der Prothese auf ein mehr oder weniger starkes Kribbeln, so sind jetzt mit Hilfe des von Dustin Tyler (Dustin Tyler) und seinen Kollegen geschaffenen Designs die biomechanischen Empfindungen realer geworden.

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