Der Kunst-Griff

Mit raffinierter Technik schaffen Wissenschaftler künstliche Hände, die dem menschlichen Original kaum noch nachstehen. Es war ein Kampf auf Leben und Tod, den sich Luke Skywalker, der angehende Jedi-Ritter, und Darth Vader, sein schlimmster Feind, lieferten. Mit gleißenden Lichtschwertern fochten die beiden Helden aus der Star-Wars-Trilogie am Rand des Abgrunds gegeneinander. Schwer verletzt überlebte der junge Luke Skywalker das Duell, doch er verlor durch einen Hieb seines Gegners seine rechte Hand. An Bord einer Lazarett-Fregatte nähten Ärzte dem jungen Jedi eine künstliche neue Hand an. Mit ihr und einem neuen Laserschwert, das er sich selbst einige Zeit später baute, schlug und gewann Luke noch viele Schlachten gegen die dunklen Mächte des Imperiums. Den rund 31000 Menschen, die laut statistischem Bundesamt allein in Deutschland mit dem Verlust einer oder beider Hände leben müssen, geht es weniger ums Kämpfen. Sie wünschen sich künstliche Gliedmaßen, mit denen sie die einfachen Aufgaben des Alltags ebenso flink und geschickt wie mit einer natürlichen Hand und echten Fingern bewältigen können. Für die meisten Patienten aber ist das bisher ein Traum. Sie leben entweder ganz ohne Handersatz oder besitzen nur eine kosmetische Prothese. Diese Prothesen sehen zwar dank einer speziell präparierten künstlichen Haut einer echten Hand täuschend ähnlich, lassen sich aber nicht ohne Hilfe der intakten zweiten Hand bewegen. Im Inneren der kosmetischen Prothesen war bislang nicht genügend Platz, um die dafür nötigen mechanischen und elektronischen Bauteile unterzubringen. Ein Teil der Betroffenen ist mit einer elektrisch angetriebenen Prothese versorgt. Der in die Handmechanik integrierte Antrieb besteht aus Motor und Getriebe. Die Fingerspitzen von Daumen, Zeige- und Mittelfinger lassen sich damit aufeinander zu bewegen oder öffnen die Hand. Mit dieser Technik lässt sich zwar ein Glas Wasser halten oder eine Einkaufstüte nach Hause tragen – an sensiblere Hand- und Fingergriffe, wie das Bedienen einer Computer-Tastatur oder Klavierspielen, ist mit den herkömmlichen Handprothesen aber nicht zu denken. Nahezu ein Drittel der Prothesenträger benutzen ihr Hilfsmittel selten oder gar nicht, weiß Stefan Schulz vom Institut für Angewandte Informatik des Forschungszentrums Karlsruhe (FZK) und Leiter einer Entwicklungsgruppe für künstliche Hände. Um dies zu ändern, entwickelten Schulz und sein Team eine Kunsthand, die sich vor allem in der benutzten Antriebstechnik deutlich von konventionellen Prothesen unterscheidet: Sie enthält zahlreiche miniaturisierte, hydraulisch betätigte Gelenke, die durch winzige Mengen einer speziellen Hydraulik-Flüssigkeit bewegt werden. Sie wird durch Steuerkanäle in kleine Kammern gepresst und von dort wieder abgesaugt. Dazu integrierten die Karlsruher Forscher Ventile, Sensoren und eine Einheit zum Erzeugen des nötigen Drucks in die künstliche Hand. Die Ventile dosieren die Flüssigkeit in den Fingern der Prothese und steuern so über den Füllstand, ob sich der jeweilige Finger beugt oder streckt. Die Verformung der elastischen Hohlräume beim Füllen und Entleeren erzeugt eine mechanische Bewegung. „Die Handprothese ist aus vielen solchen Kammern aufgebaut”, erklärt Schulz. „So lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Bewegungen realisieren.” Der feinfühlige Hydraulik-Antrieb ersetzt die bisher üblichen Elektromotoren. Er macht die Karlsruher Fluid-Hand sehr flexibel und ermöglicht es, einzelne Fingergelenke in ihrer Stellung zu verändern. „Damit lassen sich mindestens fünf der im Alltag wichtigen Handbewegungen umsetzen”, schwärmt Schulz. Zum Beispiel kann man mit der Kunsthand mit dem so genannten Pinzettengriff kleine Gegenstände wie Batterien oder Gummibärchen greifen. Mit dem Zylindergriff gelingt es, eine Flasche kraftvoll zu umfassen und hochzuheben. Der Lateral- oder Schlüsselgriff erlaubt es, flache Gegenstände wie Scheckkarten aufzunehmen und festzuhalten, mit dem Hakengriff kann eine Tasche oder Tüte am Henkel getragen werden. Schließlich lässt sich der Zeigefinger der Prothese ausstrecken, um damit beispielsweise auf einer PC-Tastatur zu schreiben oder einen Schalter zu bedienen. Ein Vorteil der Karlsruher Kunsthand: Sie arbeitet adaptiv. „ Dadurch, dass viele Gelenke beweglich sind und einzeln angesteuert werden können, ist die Hand in der Lage, sich einem Gegenstand anzupassen”, erklärt Stefan Schulz. Die Hand schmiegt sich jedem gegriffenen Objekt optimal an. Das erlaubt nicht nur ein feinfühligeres und eleganteres Greifen, als es mit den bislang verwendeten Funktionsprothesen möglich ist. „Durch die größere Berührungsfläche braucht man zudem eine geringere Greifkraft – das spart Energie”, sagt Schulz. Die Folge: Die Akkus der Prothese machen nicht so schnell schlapp. Trotz der vielfältigen Bewegungsmöglichkeiten ist die Fluid-Hand nicht schwerer als eine herkömmliche simple Prothese. Und sie wurde bereits sehr erfolgreich getestet: Mediziner und Orthopädietechniker an der Orthopädischen Universitätsklinik Heidelberg passten ab Mai 2002 einem Patienten nacheinander drei verschiedene Prototypen der Fluid-Hand an, die die Karlsruher Forscher speziell für seine Handgröße und -form gebaut hatten. Noch in diesem Jahr sollen drei weitere Prototypen an Patienten in verschiedenen Kliniken erprobt werden. „2004 soll dann die erste Kleinserie gefertigt werden”, kündigt Stefan Schulz an. In ein bis zwei Jahren, hofft der FZK-Wissenschaftler, könnte es eine weiterentwickelte Fluid-Hand als fertiges Produkt zu kaufen geben. Dazu laufen bereits Gespräche mit mehreren an einer Vermarktung interessierten Firmen. Gesteuert wird die Kunsthand des Forschungszentrums, ebenso wie die meisten heute gebräuchlichen Funktionsprothesen, über vom Patienten gesteuerte so genannte Myoelektroden. Diese Sensoren nehmen über elektrische Kontakte, die am Armansatz der künstlichen Hand angebracht sind, schwache elektrische Spannungen von einigen Mikrovolt aus dem Armstumpf auf. Die elektrische Spannung wird hervorgerufen durch Bewegungen der Restmuskulatur (griechisch „myo” = Muskel). Ein Mikroprozessor nimmt die Spannungsimpulse auf und berechnet aus ihrer Verteilung und zeitlichen Abfolge die für die gewünschte Bewegung erforderlichen Druckänderungen in den Flüssigkeitskammern. Künftig, so hoffen manche Wissenschaftler, könnten mit Nerven im Armstumpf verbundene Prozessoren direkt die Steuersignale der Nervenleitungen aufnehmen und in Bewegungen der Prothese umsetzen. Bislang aber sind die Forscher, die sich mit dem Verknüpfen von Nervenzellen und Halbleiter-Chips beschäftigen, zum Beispiel das Team von Prof. Peter Fromherz am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München, noch weit von der Realisierung dieser Vision entfernt (bild der wissenschaft 1/2002, „Fakten statt Fiction”). Bei der Entwicklung moderner Hand-Prothesen kommen den Wissenschaftlern auch Fortschritte in der Robotertechnik zugute. Während bis vor einigen Jahren vor allem Roboter für die industrielle Fertigung zum Beispiel von Fahrzeugkarosserien und die Handhabung von Bauteilen in der Produktion gefragt waren, tüfteln die Forscher nun weltweit verstärkt an so genannten Servicerobotern. Auch die Forscher um Stefan Schulz am FZK arbeiten – im Rahmen eines Sonderforschungsbereichs der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) – an der Entwicklung künstlicher Hände für solche Maschinenwesen. Sie sollen künftig in der Lage sein, dem Menschen lästige oder gefährliche Arbeiten abzunehmen. Da sie die Tätigkeiten ihrer menschlichen Herren dabei möglichst genau imitieren sollen, genügt es nicht mehr, ihnen simple Greifwerkzeuge mitzugeben und wenige, auf bestimmte Produktionsschritte spezialisierte Bewegungsmuster beizubringen. Vielmehr müssen Serviceroboter in der Lage sein, wie ein Mensch sehr unterschiedliche Handgriffe auszuführen. Am besten gelingt das mit Greifern, die der menschlichen Hand detailgetreu nachgebildet sind. Betätigungsmöglichkeiten für derartige Maschinenmenschen finden sich beispielsweise in der Raumfahrt. Bemannte Weltraummissionen sind nicht nur teuer – viele Arbeiten, die im All zu verrichten sind, erfordern zudem eine enorme körperliche Anstrengung und sind hoch riskant. So stellen Außenbordeinsätze – oft verharmlosend als „Weltraumspaziergänge” bezeichnet – trotz intensiver Vorbereitung der Astronauten stets ein gefährliches Abenteuer dar. Daher sollen statt der Bordbesatzung künftig Roboter – so genannte Robonauten – Reparaturen, Wartungs- und Montagearbeiten an der äußeren Hülle der Internationalen Raumstation (ISS) erledigen. Für diese leblosen Astronauten haben Forscher um Prof. Gerd Hirzinger am Institut für Robotik und Mechatronik des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) im bayerischen Oberpfaffenhofen eine feingliedrige und doch äußerst kräftige wie auch sensible Roboterhand entwickelt (bild der wissenschaft 5/2002, „Der Robonaut aus Oberpfaffenhofen”). Die künstliche Hand mit vier Fingern, die die DLR-Wissenschaftler auf der Hannovermesse 2002 erstmals präsentierten, besitzt in den Spitzen ihrer Finger mehrere empfindliche Sensoren, die alle auftretenden Kräfte und Drehmomente exakt messen. Damit kann der Antrieb der Hand die Stärke, mit der die Finger beim Hantieren mit Werkzeug und Montageteilen zu Werke gehen, präzise dosieren. Drei Gelenke verleihen jedem der vier Finger – der fünfte Finger ist für die Aufgaben eines Robonauten entbehrlich – eine enorme Dynamik und Beweglichkeit. Gelenkt wird die Hand bei einem künftigen Einsatz im Weltraum entweder von einem Operator im Kontrollzentrum auf der Erde, oder sie greift autonom mit Hilfe einer angeschlossenen Sensorik, zum Beispiel einer 3D-Bildverarbeitung. Eine ähnlich aufgebaute, den menschlichen Gliedmaßen nachempfundene Kunsthand haben Wissenschaftler am Johnson Space Center der US-Raumfahrtagentur NASA im texanischen Houston entwickelt. Zusammen mit einem speziellen Roboterarm kann diese Hand auf der Erde über zehn Kilogramm schwere Lasten anheben und tragen. In der Schwerelosigkeit der Erdumlaufbahn kann der künstliche Greifer noch weitaus schwerere Gegenstände bewegen und zwölf verschiedene Bewegungsabläufe ausführen. Mit ihr ausgestattete Roboter sollen nicht nur im Weltraum, sondern etwa auch im Inneren von Kernkraftwerken, wo eine hohe radioaktive Strahlung herrscht, oder in schmutzigen Kammern von Ölraffinerien arbeiten. Dazu wollen die Forscher die gewissenlosen Gesellen so programmieren und trainieren, dass sie die wichtigsten Handgriffe automatisch verrichten. „Eines Tages wird man dem Roboter einfach den Werkzeugkasten in die Hand drücken und ihn losschicken”, glaubt NASA-Entwickler Chris Lovchik. Zu den wichtigsten Aufgaben von Servicerobotern aber sollen Butler- und Pflegedienste gehören. In einigen Jahrzehnten werden weltweit Tausende von menschenähnlichen Robotern vor allem älteren und behinderten Menschen als persönliche Diener zur Seite stehen – davon ist Prof. Edgar Körner überzeugt, Präsident am europäischen Forschungsinstitut des japanischen Konzerns Honda. Sie könnten Gegenstände holen und transportieren, Einkäufe erledigen oder als Begleiter im Straßenverkehr fungieren. Asimo, ein von Honda gebauter humanoider Roboter, führt in einigen japanischen Museen schon heute eigenständig Besucher durch die Ausstellungsräume und empfängt die Gäste manchmal sogar höflich per Handschlag. Die Geschicklichkeit und Fingerfertigkeit der Hände ist entscheidend dafür, dass maschinelle Diener à la Asimo ihre Aufgaben als Allround-Helfer erfüllen können. Auch die Karlsruher Forscher um Stefan Schulz können sich einen Einsatz der von ihrem Team entwickelten künstlichen Hände im Servicebereich vorstellen: zum Beispiel als Teil eines Roboters für die Pflege oder Assistenz älterer Menschen. Ein solcher Helfer könnte seinem Schützling beispielsweise eine Flasche Mineralwasser aus dem Kühlschrank holen und das Getränk gleich einschenken. Um Robotern solche Tätigkeiten zu erleichtern, arbeiten etliche Forscher daran, künstliche Hände mit Fingerspitzengefühl auszustatten: Sensoren sollen präzise erkennen, was die Hand gerade in den Fingern hält. Und sie sollen dafür sorgen, dass die Hand stets mit genau der richtigen Kraft zupackt, um zu verhindern, dass der Roboter einen Menschen unbeabsichtigt verletzt. Bei der Entwicklung eines solchen künstlichen Tastsinns konnten vor einigen Monaten zwei spanische Wissenschaftler an der Polytechnischen Universität von Cartagena einen Erfolg vermelden. Toribio Fernández Otero und Maria Teresa Cortés präsentierten eine Technik, die es Robotern ermöglicht, mit Objekten und Personen gefühlvoller umzugehen als bisher. Dazu werden die Finger des Roboters mit einem Kunststoff überzogen, dessen elektrische Leitfähigkeit vom Druck abhängt. So erfährt der Roboter, ob er es beispielsweise mit einem besonders schweren Objekt zu tun hat – und kann automatisch mehr Kraft anwenden, um den Gegenstand zu bewegen. Hat es die Menschmaschine dagegen mit einem leichten oder zerbrechlichen Objekt oder mit einem Menschen zu tun, schaltet sie selbstständig auf eine vorsichtige Berührung um. KOMPAKT • Eine neuartige Antriebstechnik macht Handprothesen besonders vielseitig und flexibel. • Moderne Prothesen profitieren von der Entwicklung künstlicher Hände für menschenähnliche Serviceroboter. • Künftig sollen Roboterhände und Prothesen sogar über einen eigenen Tastsinn verfügen. Ralf Butscher