Natürliche Steuerung für Prothesen und robotische Gliedmaßen

Eine kürzlich von Forschenden des Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) in Italien und des Imperial College London in Großbritannien durchgeführte Studie zeigt einen Zusammenhang zwischen Bewegungsmustern der Hand und der Steuerung durch Motoneuronen. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für die Entwicklung von Prothesen, die sich für die Benutzenden natürlicher anfühlen. 

Herkömmliche Prothesen erfüllen oft nicht die Erwartungen, was zu hohen Abbruchraten führt. Viele Prothesen reagieren nicht intuitiv auf Bewegungs- und Steuerungsbedürfnisse, was ihre Integration in den Alltag erschwert. Das vom Europäischen Forschungsrat (ERC) geförderte Projekt "Natural BionicS" zielt darauf ab, diese Herausforderungen durch die Entwicklung von Prothesenlösungen zu überwinden, die mit ihrer Umgebung in ähnlicher Weise interagieren wie echte menschliche Gliedmaßen.

Antonio Bicchi vom IIT und Dario Farina vom Imperial College London leiten die Forschungsteams. Ihre Arbeit basiert auf der Theorie der sensomotorischen Synergie, die beschreibt, wie koordinierte Muskelaktivierung und Gelenkbewegungen die menschliche Bewegung steuern. Das Verständnis dieser Synergien ermöglicht die Entwicklung von Prothesen, die sich nahtlos in das Nervensystem integrieren.

Die Forschung zeigt zum ersten Mal, dass zwei wichtige neuronale Strukturen – die Synapsen der motorischen Neuronen der Wirbelsäule und die Neuronen, die die Bewegungen der Hand steuern – miteinander verbunden sind. Mit Hilfe fortschrittlicher Algorithmen entschlüsselten die Forschenden die, von den Muskeln erzeugten, elektrischen Signale und entdeckten so, wie bestimmte neuronale Strukturen die Handhaltung steuern. 

Durch die Darstellung dieser Signale konnten sie verschiedene neuronale Gruppen identifizieren, die für geschickte Bewegungen verantwortlich sind. Dieses Wissen ermöglicht eine intuitivere Mensch-Maschine-Interaktion, die über die Prothetik hinausgeht und auch Bereiche wie die Assistenzrobotik und die Verbesserung menschlicher Fähigkeiten umfasst. 

Im Rahmen der Studie entwickelte das Forschungsteam eine weiche Handprothese, die Bewegungen auf der Grundlage von zwei primären Haltungssynergien ausführen kann. Das Gerät verfügt über zwei Aktivierungsstufen, die eine natürlichere Handhaltung ermöglichen. 

Die Handprothese wurde in Echtzeit-Szenarien mit 11 Teilnehmenden ohne körperliche Behinderung und drei Prothesennutzenden getestet. Die Forschenden wendeten eine fortschrittliche Online-Methode an, die neuronale Synergien auf den kontinuierlichen Betrieb der Handprothese abbildet, und zeigten, dass die Integration von neuronalen und posturalen Synergien zu einer präzisen, koordinierten und natürlichen mehrstelligen Steuerung führt. 

Diese Ergebnisse haben merkbare Auswirkungen auf die Benutzung von Prothesen: 

• Eine natürlichere und intuitivere Benutzererfahrung 

• Verbesserte Fähigkeit zur Ausführung von Geschicklichkeitsaufgaben, wie zum Beispiel Manipulationen mit der Hand 

• Größere Unabhängigkeit bei alltäglichen Aktivitäten 

Durch den Einsatz neuronaler Dekodierung und multisynergistischer Prothesendesigns ergeben sich Fortschritte auf dem Weg zu Prothesen, die der Beweglichkeit und Funktionalität natürlicher Gliedmaßen sehr nahekommen.

REHACARE.de; Quelle: Istituto Italiano di Tecnologia – IIT