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Umfassende Flexibilität

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Interview mit Hugh Herr, außerordentlicher Professor für Media Arts and Sciences und Leiter des Center for Extreme Bionics am Massachusetts Institute of Technology

Hugh Herr wurden im Alter von 17 Jahren nach einem Kletterunfall beide Unterschenkel amputiert. Von seinem Hobby ließ er sich trotzdem nicht abbringen und begann mit der Entwicklung selbstgefertigter Prothesen, die es ihm erlaubten, den Klettersport weiter auszuüben. Professor Herr ist der Ansicht, dass Amputierten das gleiche Recht wie gesunden Menschen zusteht, Aktivitäten wie Laufen, Tanzen und Klettern nachzugehen. Da bestehende Technologien weit von diesem Ideal entfernt sind, sieht er es als seine Aufgabe an, dieses hehre Ziel durch technologische Anpassung und Nutzbarmachung zu erreichen. Hugh Herr, Leiter der Biomechatronik-Forschungsgruppe am MIT Media Lab, zählt mittlerweile zu den führenden Wissenschaftlern im Bereich bionischer Prothesen und gründete vor Kurzem das Center for Extreme Bionics am MIT. Nachdem Adrianne Haslet-Davis, eine leidenschaftliche Turniertänzerin, beim Bombenanschlag auf den Boston-Marathon ihren linken Fuß verloren hatte, entwickelten Hugh Herr und sein Team in mühevoller Detailarbeit ein für den Tanzsport ausgelegtes bionisches Bein. Auf der OTWorld hielt er einen der sieben Keynote-Vorträge mit dem Titel „Entwicklung bionischer Beine: die Wissenschaft extremer Interfaces“. Während seines Aufenthalts in Leipzig nahm er sich freundlicherweise die Zeit, mit der Redaktion über seine jüngsten Entwicklungen zu sprechen und zu verraten, was die Zukunft im Bereich der Hilfsmitteltechnologie noch bereithält (siehe auch "Prof. Hugh Herr und Dr. med. Urs Schneider im Gespräch über bionische Prothesen" auf YouTube).

OT: Welche Fortschritte haben Sie bei der Optimierung von Prothesensystemen und dem Angleichen ihrer Eigenschaften an natürliche Gliedmaßen gemacht?

Herr: Eine Herausforderung liegt darin, Prothesen zu konstruieren, die sich genauso dynamisch bewegen wie natürliche Gliedmaßen. Dieser Punkt hat uns jahrzehntelang beschäftigt. Mein Unternehmen BiOM hat die weltweit erste bionische Beinprothese entwickelt, das BiOM® T2 System, das dank des integrierten Antriebs erreicht, dass die wichtigsten Gangparameter an die biologischer Beine angepasst werden. Zum Beispiel ist die Gehgeschwindigkeit mit einer herkömmlichen Prothese normalerweise um 40 Prozent niedriger als bei einem gesunden Menschen. Das ist mit dem BiOM® T2 nicht der Fall. Außerdem verursachen alle anderen Prothesen letzten Endes eine größere Erschöpfung des Anwenders, weil sie den Energiebedarf erhöhen. Im Gegensatz dazu wirkt sich die bionische Prothese nicht auf den Stoffwechsel aus. Außerdem konnten wir einige Belastungen des Muskel- und Skelettapparats kompensieren und so ein Höchstmaß an Leistung und Dynamik erzielen. Dadurch wird das Arthroserisiko, von dem zurzeit etwa 50 Prozent der Anwender über 65 betroffen sind, minimiert und letztlich vollständig beseitigt.

OT: Wie viele BiOM-Prothesenbeine sind bereits im Einsatz?

Herr: Seit der Markteinführung 2010 haben wir etwa 900 Menschen mit BiOM-Prothesenbeinen versorgt, darunter ca. 400 verwundete Soldaten. Außerdem haben wir computergesteuerte bionische Kniegelenke entwickelt, die zum Teil mit bionischen Sprunggelenken gekoppelt sind.

OT: Nachdem Adrianne Haslet-Davis nach dem Bombenanschlag auf den Boston-Marathon der untere Teil ihres Beins amputiert wurde, haben Sie ihr eine Prothese gebaut, die für den Tanzsport geeignet ist. Dazu mussten die Bewegungen eines anderen Tänzers analysiert werden, um einen speziellen Algorithmus für die Rumba zu entwickeln. Warum erfordern verschiedene Arten von Bewegungen nach wie vor unterschiedliche Parameter?

Herr: Die Interaktion zwischen dem Gehirn und einer biologischen Gliedmaße ist unglaublich komplex. Das Problem ist, dass die heute erhältlichen herkömmlichen Prothesen keine Schnittstelle mit dem Nervensystem haben. Deshalb ist der Anwendungsbereich der im Moment verfügbaren Algorithmen beschränkt. Der Algorithmus, der im BiOM® T2 eingesetzt wird, ermöglicht mir beispielsweise das Gehen in sämtlichen Geschwindigkeitsbereichen und das Auf- und Abwärtsgehen von Treppen. Für das Turniertanzen wäre er jedoch ungeeignet. Es geht dabei nicht darum, die Datenmenge in einem bionischen Fuß zu erhöhen. Das System müsste über die Intelligenz verfügen, eine Änderung des Bewegungsablaufs durch den Anwender zu erkennen. Umfassende Flexibilität wird erst mit der Entwicklung einer Schnittstelle zum Gehirn Realität. Eine intelligente Schnittstelle würde sämtliche Befehle des Gehirns sofort umsetzen. Man entschließt sich zu tanzen, und das Gerät schaltet durch die direkte Steuerung über das Nervensystem in den entsprechenden Modus. Am MIT befasst sich ein ganzes Forschungsteam damit, eine bidirektionale Schnittstelle zum peripheren Nervensystem zu entwickeln. Die Forschungsergebnisse werden nicht nur für die Prothesenentwicklung von Nutzen sein, sondern auch in vielen anderen Branchen. Eine Schnittstelle zum Gehirn könnte die Lösung für medizinische Herausforderungen wie Blindheit sein.

OT: Abgesehen von der elektronischen Schnittstelle ist auch die mechanische Anbindung problematisch.

Herr: Prothesen am Körper anzubringen ist eine weitere schwierige Aufgabe, mit der sich die Menschheit seit Jahrhunderten beschäftigt, bisher ohne zufriedenstellendes Ergebnis. Aus irgendeinem Grund bekommt dieses Thema nicht die Aufmerksamkeit bzw. die finanzielle Unterstützung, die es verdient. Neuronale Schnittstellen sind offenbar aufregender. Man kann eine perfekte bionische Armprothese einschließlich neuronaler Steuerung konstruieren, aber wenn sie unbequem sitzt und rutscht, will der Anwender sie nicht tragen. Man darf auch nicht außer Acht lassen, dass bionische Prothesen durch die eingebauten Motoren schnell schwerer als natürliche Gliedmaßen sein können. Meiner Ansicht nach basieren mechanische Schnittstellen auf theoretischen Grundlagen, die nur darauf warten, entdeckt zu werden. Und wenn es so weit ist, werden sie das Aussehen von Schuhen, BHs, einfach allem verändern, was mit dem Körper in Kontakt ist. In nur 20 Jahren wird es uns lächerlich primitiv vorkommen, dass Schuhe und BHs nur in wenigen Größen verfügbar waren. „Im Ernst, Sie meinen, 2014 gab es noch keine maßgeschneiderten BHs, die genau auf die Größe, gesundheitlichen Probleme oder Brustsymmetrie der Frauen zugeschnitten waren? Ich bitte Sie!“ Ich denke, an einem gewissen Punkt wird es fühlende Handschuhe geben, mit denen Körperpartien in 3-D abgetastet und gescannt werden können. Mit diesen Handschuhen könnte man die Körperkonturen im unbelasteten Zustand und die Eigenschaften des anliegenden Gewebes in weniger als einer Minute erfassen. Kurz gesagt, im Handumdrehen wird ein biomechanischer Abdruck der jeweiligen Person angefertigt, wodurch maßgeschneiderte Produkte wie Schuhe, BHs und sogar bionische Prothesen schnell produziert und geliefert werden können. Abgesehen von den Verbesserungen durch langlebige und atmungsaktive Materialien werden Schuhe, die mit dieser Technologie gefertigt wurden, eine Haltbarkeit von – nun, wahrscheinlich nicht ein ganzes Leben, aber Sie wissen, worauf ich hinauswill – haben!

OT: Die Verbesserungen, die Sie – einmal ganz von den Entwicklungen abgesehen, die Sie für die Zukunft prophezeien – bereits für Amputierte erzielen konnten, sind unglaublich. Arbeiten Sie eigentlich auch mit Nicht-Amputierten?

Herr: Mehr als ein Jahrhundert haben Entwickler erfolglos versucht, Exoskelette zur Gehoptimierung zu konstruieren. Diese Hilfsmittel sind für Menschen gedacht, die schwere Lasten über weite Strecken tragen, insbesondere Soldaten. Sie sind alle gescheitert, da sie den Energiebedarf beim Gehen unter Belastung erhöht haben, statt ihn zu verringern. Ehrlich gesagt waren es letztlich nur außergewöhnliche Trainingsgeräte. Vor zwei Monaten konnten wir allerdings zum ersten Mal in der Geschichte den menschlichen Gang optimieren. In unserem System werden Glasfaserstreben an Stiefeln montiert, die abwechselnd und synchron zur Gehgeschwindigkeit des Anwenders gespannt und entspannt werden. Dadurch wird die Wirkung der eingesetzten Muskelkraft vervielfacht und somit weniger Energie beim Gehen benötigt. Das ist absolut bahnbrechend!

OT: Wir sind hier in Leipzig auf der OTWorld, weltweit führende Fachmesse und Kongress für Orthopädie- und Reha-Technik. Warum haben Sie sich dazu entschlossen, an der OTWorld teilzunehmen? Was zeichnet sie aus?

Herr: Erstens bin ich immer wieder gerne in Europa, das ist also einer der Gründe, zur OTWorld zu kommen. Nein, im Ernst, es ist eine großartige Gelegenheit, neue Technologien auszutesten, mit meinen Partnern am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA zu sprechen und mich mit Freunden und Kollegen im Bereich der Orthopädie-Technik auszutauschen. Im Vergleich zu anderen Messen in den USA ist die OTWorld in Leipzig internationaler, das ist klar! Ein weiterer wichtiger Unterschied ist, dass das Publikum hier wissenschaftlicher ist. Nach meinem Keynote-Vortrag war ich überrascht, wie viele Akademiker und andere Wissenschaftler mit Fragen auf mich zugekommen sind. Die Vernetzung zwischen den Universitäten und der Industrie in dieser Branche scheint in Europa eindeutig größer zu sein. Ich war vorher schon zweimal auf der OTWorld und muss sagen, dass der Kongress und die Ausstellung immer sehr gut organisiert sind.

Die Fragen stellte Ruth Justen,
freiberufliche Journalistin in Leipzig.

Zur Person

Hugh Herr wurde 1964 in Lancaster, Pennsylvania, geboren und ist seit seiner Kindheit ein begeisterter Kletterer. Er verfügt über einen Collegeabschluss in Physik sowie einen Master in Maschinenbau und promovierte an der Harvard-Universität in Biophysik. Er ist Leiter der Biomechatronik-Forschungsgruppe am MIT Media Lab sowie des Center for Extreme Bionics. Außerdem ist er technischer Vorstand des von ihm 2007 gegründeten Bionik-Unternehmens BiOM. Zu seinen Erfolgen gehören zehn Patente sowie eine Reihe von Auszeichnungen im Bereich der Hilfsmitteltechnologie. Zudem schafften es seine Produkte zweimal auf die Rangliste der zehn wichtigsten Erfindungen des TIME Magazine.