Fortschrittlicher robotischer Gliedmaßenersatz: Wiederherstellung von Funktion und Mobilität

Die Zukunft der Robotik in der Medizin

Das Feld der Robotik wird immer fortschrittlicher. Eine sehr spannende Anwendung der Robotik ist im Bereich der Medizin, genauer gesagt in der Entwicklung von robotischem Gliedmaßenersatz. Gliedmaßenersatz beinhaltet die Verwendung einer Art Prothese, um den Platz eines Körperteils einzunehmen, das amputiert oder aufgrund von Verletzung oder Krankheit verloren gegangen ist. Mit Fortschritten in der Technologie und einem besseren Verständnis dafür, wie das Gehirn Bewegung kontrolliert, werden Gliedmaßenersätze immer anspruchsvollerer und lebensechter.

Bedeutung

Das Ziel des robotischen Gliedmaßenersatzes ist es, Prothesen zu entwickeln, die aussehen, funktionieren und sich anfühlen wie das Glied, das sie ersetzen. Es reicht nicht länger, nur das Glied zu ersetzen; es muss nun als voll funktionsfähiges Glied funktionieren. Dies beinhaltet nicht nur den Bau sehr spezialisierter künstlicher Gliedmaßen, sondern auch das Verständnis dafür, wie das Gehirn Bewegung kontrolliert. Die Herausforderung besteht darin, das robotische Glied so zu verbinden, dass der Patient seine Bewegung steuern kann, genau als wäre es ein normales Glied. Derzeit werden die meisten künstlichen Gliedmaßen durch Muskelkontraktionen gesteuert, die vom Patienten initiiert werden, und nicht durch neuronale Signale vom Gehirn, wie es bei natürlicher Bewegung vorkommt.

Funktionsweise

Jede Bewegung, die der Körper macht, beginnt mit einem Gedanken. Sobald ein Gedanke wie „Ich muss einen Schritt nach vorne machen“ oder „Ich muss meine Kaffeetasse aufheben“ auftritt, löst das Gehirn eine Reihe komplexer Reaktionen aus, um diese Bewegung zu bewirken. Das Gehirn muss herausfinden, welche Muskeln es zusammenziehen und entspannen muss, sowie wie viel Kraft benötigt wird, um die Aufgabe zu erfüllen. Mit Lichtgeschwindigkeit sendet das Gehirn Signale durch das Rückenmark und entlang der Nervenbahnen, um die notwendigen Muskeln zu koordinieren und zu rekrutieren. Wenn ein Glied verloren geht, gehen auch die Nerven verloren, die dieses Glied mit den vom Gehirn gesendeten Signalen verbanden.

Arten von Prothesen

Gängige heute verwendete Prothesen verbinden das künstliche Glied nicht mit dem Nervensystem. Die Prothese besteht aus dem künstlichen Glied und Kabeln, die an einen Körperbereich angeschlossen sind, an dem die Muskeln funktionieren. Zum Beispiel würde eine Handprothese an den Schultermuskeln angeschlossen werden. Der Patient muss dann die Schultermuskeln auf sehr präzise Weise zusammenziehen, um an den Kabeln zu ziehen, was wiederum die Handprothese bewegen lässt. Es gibt auch extern betriebene Prothesen. In diesem Fall wird das Glied mit einem batteriebetriebenen Motor bewegt. In diesem Fall müssen Schalter betätigt werden, um das Glied zu bewegen. Beide erfordern viel Zeit und Training seitens des Patienten. Beide lassen auch viel zu wünschen übrig, wenn es darum geht, lebensecht auszusehen und natürliche Bewegung zu replizieren. Daher die Notwendigkeit des robotischen Gliedmaßenersatzes, der es dem Gehirn und dem künstlichen Glied ermöglichen wird, direkt miteinander zu interagieren.

Wichtige Überlegungen

Damit robotische Gliedmaßen richtig funktionieren, müssen Wissenschaftler herausfinden, wie sie die vom Gehirn gesendeten Signale mit dem künstlichen Glied interagieren lassen können. Das Ziel ist es, computergestützte Systeme zu entwickeln, die die Signale vom Gehirn interpretieren und sie dann an das robotische Glied übersetzen können, damit es entsprechend reagieren kann. Es ist fast ein Fall der Entwicklung eines künstlichen Nervensystems. Die Wissenschaft kommt näher mit der Entwicklung der Nutzung von Computerchips, die programmiert werden können, um eine Prothese zu steuern. Die Prothese, die den Chip enthält, überwacht den Patienten, während er oder sie sich bewegt. Diese Informationen werden dann von einem externen Computerprogramm ausgewertet. Als Nächstes wird die Prothese programmiert, um die natürlichen Bewegungen des Patienten nachzuahmen. Der Chip wirkt wie ein Gehirn und reagiert automatisch auf Änderungen in Geschwindigkeit und Richtung. Diese Informationen werden dann vorab in die Prothese programmiert, sodass das künstliche Glied besser mit der einzigartigen Art und Weise des Patienten übereinstimmt, sich im täglichen Leben zu bewegen.

Potenzial

So aufregend programmierbare Gliedmaßen auch sind, sie haben immer noch ihre Grenzen. Sie ermöglichen nur eine kleine Anzahl, normalerweise zehn, programmierbarer Modi. Da sie mit Batteriebetrieb funktionieren, müssen sie aufgeladen werden. Derzeit werden Anstrengungen unternommen, um die Batterie für bis zu fünfzig Stunden betriebsbereit zu machen.
Hier bietet die Wissenschaft des robotischen Gliedmaßenersatzes Versprechen. Das Ziel ist es, das künstliche Glied irgendwie direkt an das Nervensystem zu „verkabeln“, damit das Gehirn jede seiner Bewegungen natürlich kontrolliert. Zuerst muss ein Elektrode chirurgisch im Gehirn platziert werden. Dann würden Computer, die in der Prothese enthalten sind, programmiert, um die vom Gehirn gesendeten Signale zu interpretieren, um Bewegung einzuleiten. Darüber hinaus muss der Computer im künstlichen Glied Informationen zurück an das Gehirn senden, während Bewegung stattfindet, damit Anpassungen vorgenommen werden können. Wissenschaftler experimentieren derzeit mit den besten Orten, um die Elektroden anzubringen, und mit der Verbesserung der computergestützten Signale zwischen der Prothese und dem Gehirn. Obwohl wir noch ein Stück davon entfernt sind, dies bei Menschen zur Realität zu machen, war die Forschung an Ratten und Affen erfolgreich. Siehe die Links unten für weitere Informationen.