Wie Cyber-Prothetik-Technologie den Menschen verbessert

Beim CYBATHLON 2020, bei dem Menschen mit Behinderungen für sie nahezu unmögliche Alltagsaufgaben mit Hilfe modernster Technologien erledigen, geht es um mehr als nur einen internationalen Wettbewerb. Die Organisatoren an der ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) haben den Wettbewerb als Plattform für die Entwicklung von assistiven Technologien konzipiert, welche Menschen mit Behinderungen ein erfüllteres Leben ermöglichen.

Die diesjährige Veranstaltung fand Mitte November statt, und Kaspersky war als Partner des russischen Teams dabei.

Was ist der CYBATHLON?

Der CYBATHLON umfasst Wettbewerbe in sechs Disziplinen: Angetriebene Armprothese (ARM), Angetriebene Beinprothese (LEG), Angetriebenes Exoskelett (EXO), Elektrorollstuhl (WHL), Fahrrad für funktionelle elektrische Stimulation (FES) und Brain-Computer Interface (BCI).

Die Teilnehmer konkurrieren nicht nur um Gold, sondern demonstrieren auch die Fähigkeiten der neuesten Hilfsgeräte. Mit Hilfe modernster Armprothesen konnten die Träger zum Beispiel Glühbirnen einschrauben oder fühlen, was sich in einer Kiste befand. Mit den neuesten Rollstühlen können die Benutzer Treppen steigen. Darüber hinaus motiviert die Veranstaltung Entwickler, ihre Produkte zu verbessern, denn sie ist gleichzeitig ein Wettbewerb für Sportler und ein Schaufenster für die Teams, die die Technologien entwickeln.

In diesem Beitrag werden wir über diese Technologien sprechen: Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft

Vom Bronzebein zu einer Cyber-Gliedmaße mit einer neuronalen Schnittstelle

Die Verwendung von Prothesen hat eine lange Tradition. Der erste bekannte Hinweis auf eine künstliche Gliedmaße befindet sich in der Rigveda, einer altindischen Sammlung von Sanskrit-Hymnen aus dem zweiten Jahrtausend v. Chr., in der die Götter der legendären Kriegerin Vishpala ein Bein aus Eisen geben, nachdem sie ihr eigenes in der Schlacht verloren hat. Archäologische Prothesen können weit zurück datiert werden: So wurde zum Beispiel in Ägypten eine etwa 3.000 Jahre alte hölzerne Zehe entdeckt, und ein in der italienischen Stadt Capua gefundenes Bronzebein ist etwa 2.300 Jahre alt.

Künstliche Gliedmaßen blieben im Anschluss über Jahrtausende nahezu unverändert. Im 16. Jahrhundert schufen Wissenschaftler dann die erste mechanische Prothese mit Scharniergelenken, die der Träger mit einer anderen Gliedmaße oder durch Kontraktion benachbarter Muskeln steuern konnte.

In der Zeit nach dem Zweiten Weltkrieg kam eine weitere Prothesenart auf den Markt: die bioelektrische (auch myoelektrische oder bionische genannt). Bioelektrische Prothesen wandeln die Muskelaktivität im Stumpf in elektrische Signale um, welche wiederum eine Bewegung des Geräts bewirken.

Heute, im einundzwanzigsten Jahrhundert, stehen die Wissenschaftler kurz davor, den nächsten großen Schritt zu tun und neurobionische Prothesen zu entwickeln, welche es ihren Trägern ermöglichen, nicht nur bestimmte Bewegungen auszuführen, sondern auch Gegenstände durch Berührung zu erkennen. Die Technologie ist noch jung und hat noch einen langen Weg vor sich, bis sie den Tastsinn vollständig wiederherstellen kann, aber sie ist auf dem besten Weg, dies zu erreichen.

Derzeitige Prothetik

Neue Technologien ersetzen die bestehenden nicht, sondern ergänzen sie; eine Vielzahl von Prothesen sind bereits im Einsatz, darunter auch einige, die für rein kosmetische Zwecke existieren. Jeder Typ hat sein eigenes Anwendungsgebiet.

Mechanische Prothesen sind billiger, leichter zu beherrschen und haltbarer als bionische. Sie eignen sich zum Beispiel besser für das Heben von Lasten und Aktivitäten auf Wasserbasis – und wenn keine Stromversorgung vorhanden ist. Bionische und neurobionische Prothesen haben andererseits einen höheren Tragekomfort und bieten ein breiteres Bewegungsspektrum (z.B. helfen Cyberlegs dem Träger, das Gleichgewicht zu halten, Treppen auf- und abzusteigen, rückwärts zu gehen und sogar zu rennen).

Spezialisierungen in der Prothetik

Inzwischen gibt es auch hochspezialisierte Prothesen, die unter bestimmten Bedingungen oder für eine bestimmte Arbeit eingesetzt werden können. Beispielsweise finden Sie jetzt im Handel erhältliche Prothesen für Aktivitäten im Wasser, Basketball, Jogging und andere Sportarten.

Die Verfügbarkeit des 3D-Drucks hat auch zur Entwicklung von Prothesen beigetragen, indem sie diese kostengünstiger und anpassbarer als je zuvor gemacht hat. In einigen Fällen können Menschen ein Modell online herunterladen und es vor dem Ausdrucken auf ihre Bedürfnisse anpassen.

Prothetische Hilfsmittel

Ein anderer moderner Trend kombiniert kybernetische Gliedmaßen mit digitalen Technologien. So hat beispielsweise der russische Hersteller Motorica in diesem Jahr eine Galaxy Watch in eine Armprothese eingebettet. Mit ihr kann der Benutzer seine Aktivität überwachen und die Einstellungen des Arms – zum Beispiel die Höhe des Greifens mit der Hand oder dem Finger – steuern.

Geländegängige Rollstühle

Rollstühle haben den Menschen seit mehr als einem Jahrtausend geholfen, wobei die ersten Erwähnungen bis ins sechste Jahrhundert n. Chr. zurückreichen. Bis Mitte des siebzehnten Jahrhunderts waren sie buchstäblich Stühle auf Rädern, für deren Handhabung ein Diener oder Assistent benötigt wurde.

Der erste manuelle Rollstuhl erschien 1655, und das erste faltbare Modell wurde Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts in den USA entwickelt.

Heutzutage können die rollenden Fortbewegungsmittel neben den traditionellen Rollen auch mit Elektromotoren, Raupenketten zum Treppensteigen und sogar mit Neurointerfaces für Menschen ausgestattet werden, die ihre Arme nicht bewegen können.

Elektrostimulation und Exoskelette

Wissenschaftler entwickeln auch Geräte, die es gelähmten Menschen ermöglichen, auf den Füßen zu stehen (Übrigens praktizierten die alten Ägypter die Elektrostimulation als therapeutisches Hilfsmittel! Damals nutzten sie natürliche elektrische Energiequellen, wie Meerestiere, bevor sie elektrostimulierende Geräte benutzen). Bei dem oben erwähnten Radrennen mittels funktioneller Elektrostimulation werden die Muskeln der Wettkämpfer durch Stromstöße, die auf sie einwirken, kontrahiert und eine Tretbewegung ausgelöst.

Der erste Prototyp einer anderen rehabilitativen Technologie – des Exoskeletts – erschien 1890. Es erforderte zwar immer noch Anstrengungen seitens des Trägers, aber der Anzug erleichterte mit Hilfe von komprimiertem Gas das Gehen, Laufen und Springen erheblich. Im Jahr 1917 wurde ein Dampf-Exoskelett patentiert, und in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts kamen elektrische, pneumatische und hydraulische Modelle hinzu.

Moderne Exoskelette wiegen weniger als ihre Vorgänger, sind viel einfacher zu bedienen und bieten mehr Möglichkeiten zur Wiederherstellung der unabhängigen Bewegung. Einige können sich mit der Cloud verbinden, um Daten über Reha-Behandlungen zu speichern und zu verarbeiten, und einige der neuesten können durch Hirnimpulse manipuliert werden.

Neuronale Schnittstellen

Die futuristische Technologie hinter gedankengesteuerten Geräten wird als Brain-Computer-Interface (BCI) bezeichnet. Solche Systeme tauchten erstmals in den 1970er Jahren auf und machen jetzt große Fortschritte.

BCI-Sensoren können direkt in die Großhirnrinde implantiert werden, oder sie können innerhalb des Schädels platziert oder von außen angebracht werden. Die erste Methode liefert zunächst die beste Signalqualität, die jedoch abnehmen kann, falls der Körper das Implantat abstößt. Heutzutage sind die gängigsten BCIs nicht invasiv und erfordern keine Operation.

Die Elektroenzephalographie ist die gebräuchlichste Technologie zum Ablesen der Gehirnaktivität. Es gibt jedoch auch andere Methoden zum „Gedankenlesen“. Zum Beispiel experimentierten Forscher in den 1980er Jahren damit, Augenbewegungen zur Steuerung eines Roboters zu nutzen. Dann, im Jahr 2016, stellten die Wissenschaftler ein BCI vor, das in der Lage ist, die Pupillengröße zu erkennen.

Der Anwendungsbereich für Neurointerfaces ist sehr vielseitig. In den Anfangsjahren des BCI verwendeten die Wissenschaftler beispielsweise Hirnimplantate zur Behandlung von erworbenem Sehverlust. Und wie wir oben erwähnt haben, verwenden einige neuere Rollstühle und Exoskelette Neurointerface-Steuerungen. Die Teilnehmer von CYBATHLON 2020 nahmen am Brain-Computer Interface-Rennen teil – einer Art Computerspiel, bei dem die Macht des Denkens die Avatare des Wettkampfs bewegt.

Was bringt die Zukunft?

Heute schreiten Hilfstechnologien sprunghaft voran. Welche Wunder sich hinter dieser Entwicklung verbergen, darüber kann man nur spekulieren. Diejenigen, die an der Spitze stehen, haben bereits eine Idee.

So stellen die Mitarbeiter des Neurointerfacespezialisten Neurobotics fest, dass die aktuellen Entwicklungen vor allem darauf abzielen, Menschen mit Behinderungen bei der Bewältigung alltäglicher Aufgaben durch BCI-gesteuerte Rollstühle und Smart Homes zu unterstützen.

Die Technologie hat jedoch noch einen langen Weg vor sich, bis sie kommerziell nutzbar ist. Wie die Neurobotik einräumt, ist das „Gedankenlesen“ immer noch weit weniger genau als die Eingaben über Tastatur, Maus oder Joystick. Das Unternehmen geht davon aus, dass die Öffentlichkeit in ein- bis zweihundert Jahren am ehesten erwarten kann, BCI als wirksamen Ersatz für die bekanntesten Schnittstellen einzusetzen.

Es überrascht nicht, dass Elon Musk, der an seinem eigenen BCI-Implantat-Projekt mit dem Namen Neuralink arbeitet, eine kürzere Produkteinführungszeit vorsieht. Allerdings ist nicht klar, wann dies geschehen kann und ob das Gerät ein Erfolg wird; die Implantation ist ein wichtiger Schritt, den nicht jeder zu tun bereit ist.

Musk ist nicht der einzige mutige Visionär. Falls Sie weitere Sci-Fi-Vorhersagen wünschen, schauen Sie sich unser Projekt „Earth 2050“ an, bei dem die Nutzer ihre Ideen austauschen können, von grundlegend neuen Sinnesorganen bis hin zu einer „Werkstatt“, in der Sie sich vollständig erneuern können.

Einen Schritt voraus sein

Was auch immer die Zukunft bringt, es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass wir alle diese Zukunft gestalten, hier und jetzt. Deshalb unterstützen wir bei Kaspersky voll und ganz die Entwickler von unterstützenden Technologien und andere Unternehmungen, die darauf abzielen, diese Welt zu einem besseren Ort zu machen. Sie versuchen, wie die Organisatoren von CYBATHLON, eine bessere Zukunft für alle zu schaffen.