Den ersten Kick der diesjährigen Fußball-WM wird ein querschnittsgelähmter Mensch ausführen. Möglich macht dies ein Exoskelett, das mit Hilfe von Gedanken gesteuert wird. Das Projekt heißt 'Walk Again'. Für das internationale Projekt konnte Prof. Miguel Nicolelis von der Duke University in den USA und dem Internationalen Institut für Neurowissenschaften von Natal in Brasilien mehr als hundert Wissenschaftler begeistern. Unter ihnen auch der Leiter des Instituts für Kognitive Systeme an der Technischen Universität München (TUM), Prof. Gordon Cheng.

Die Forscher entwickelten ein Exoskelett, das mit Hilfe von Gedanken gesteuert wird. Das System misst die elektrische Hirnaktivität des Menschen und wandelt diese Information in eine Bewegung um – ein Schritt, ein Tritt gegen einen Ball. Das Besondere daran ist aber auch, dass die Probanden Rückmeldung mittels einer sensitiven, künstlichen Haut bekommen. Diese Haut wurde in Chengs Institut in München entwickelt. 'CellulARSkin' heißt die Technologie.

Vorgängermodell an einem Affen getestet

Die Inspiration für das Projekt 'Walk again' und somit für die Sensorhaut resultierte aus einer Zusammenarbeit Chengs mit Prof. Miguel Nicolelis aus dem Jahr 2008. Cheng: "Miguel ließ in North Carolina einen Affen auf einem Laufband gehen, und mit Hilfe von dessen Hirnsignalen brachte ich meinen humanoiden Roboter in Kyoto zum Laufen." Aus der Zusammenarbeit entstand das Projekt, das jetzt querschnittsgelähmten Menschen wieder das Laufen ermöglicht. "Unser Gehirn ist sehr anpassungsfähig, wenn es darum geht, körperliche Fähigkeiten durch die Verwendung von Werkzeugen zu erweitern", sagt Cheng, "wie zum Beispiel beim Autofahren oder beim Essen mit Stäbchen. Nach dem Kyoto-Experiment waren wir uns sicher, dass das Gehirn auch einen gelähmten Körper befreien könnte, mittels eines externen Körpergerüsts wieder zu gehen."

Den Schritt vom Affen gesteuerten Roboter bis hin zu einem vom Menschen gesteuerten Exoskeletts war allerdings von einigen technologischen Fortschritten abhängig. Um dem Menschen ein besseres Sicherheitsgefühl zu geben und auch für die Steuerung des Exoskeletts war zusätzlich ein Tastsinn erforderlich: Dem gelähmten Menschen sollte das Gefühl vermittelt werden, mit beiden Beinen den Boden zu berühren.

Als Cheng 2010 das Institut an der TUM gründete, setzte er den Schwerpunkt darauf, die Technik der taktilen Wahrnehmung für robotische Systeme voranzutreiben. Mit 'CellulARSkin' hat er ein Konzept für ein robustes und selbstorganisierendes Sensornetzwerk entwickelt, das nun am Exoskelett in Brasilien zur Anwendung kommt.

Die Basis des 'CellulARSkin' bildet ein sechseckiges Paket aus einem energieeffizienten Mikroprozessor sowie zahlreichen Sensoren zur Erfassung von Berührungsnähe, Druck, Vibration, Temperatur und Bewegung im dreidimensionalen Raum. Die sechseckigen zellen werden dann in bienenwabenförmigem Muster vernetzt (siehe Bildergalerie).

Intelligentes Sensornetzwerk

Das wichtigste sei die Intelligenz der Sensoren, erläutert Cheng. Die Zusammenarbeit der Sensorzellen untereinander und mit dem Zentralsystem erlaubt 'CellulARSkin', sich für spezifische Anwendungen zu rekonfigurieren und sich von bestimmten Arten von Schäden automatisch zu erholen. Mensch und Maschinen können so intelligent und sicher miteinander interagieren. Von Vorteil wäre eine solche Technik auch in der Industrie, etwa für Industrieroboter.

Im Exoskelett von 'Walk again' sendet die 'CellulARSkin' als künstliche Haut - etwa an den Fußsohlen - Signale an kleine Motoren, die wiederum Vibrationen an den Armen der Probanden hervorrufen. Durch Training lernten die acht Frauen und Männer, auf diese Art der sensorischen Rückmeldung zu Reagieren und letztendlich die Roboter-Beine und Füße gezielt zu steuern. Um bestimmte Körperteile gewickelt, kann die 'CellulARSkin' dem medizinischen Personal auch eventuelle Anzeichen von Stress oder Unbehagen übermitteln.

Cheng sieht Auftakt der Fußball-Weltmeisterschaft in Brasilien als öffentliche Demonstration, wie Wissenschaft und Technik den Menschen helfen können: "Ich vermute, dass manche den Weltcup-Auftakt als den Schlusspunkt einer Entwicklung sehen werden, aber in Wirklichkeit ist es nur der Anfang. Dies mag ein wichtiger Meilenstein sein, aber es gibt noch sehr viel mehr zu tun. Außerdem sehe ich es als große Anerkennung für die Tapferkeit und harte Arbeit der Patienten!"