Taktiles Feedback sorgt für Bewegungssinn bei Prothesen

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Wissenschaftler wollen Patienten mit amputierten Gliedmaßen die Möglichkeit der Bewegungswahrnehmung oder Propriozeption über Prothesen eröffnen. Eigens erzeugtes taktiles Feedback auf der Haut hat es Probanden mit verbundenen Augen erlaubt, die Größe der mit einer prothetischen Hand ergriffenen Objekte mehr als doppelt so gut zu erkennen wie ohne diese Maßnahme. Die Ergebnisse der Forschungen werden von Wissenschaftlern der Rice University, des Forschungszentrums „E.Piaggio“ der Universität Pisa und des italienischen Instituts für Technologie (IIT) im Juni an der World Haptics 2017 in Fürstenfeldbruck vorgestellt.

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Wissenschaftler wollen Patienten mit amputierten Gliedmaßen die Möglichkeit der Bewegungswahrnehmung oder Propriozeption über Prothesen eröffnen. Eigens erzeugtes taktiles Feedback auf der Haut hat es Probanden mit verbundenen Augen erlaubt, die Größe der mit einer prothetischen Hand ergriffenen Objekte mehr als doppelt so gut zu erkennen wie ohne diese Maßnahme. Die Ergebnisse der Forschungen werden von Wissenschaftlern der Rice University, des Forschungszentrums „E.Piaggio“ der Universität Pisa und des italienischen Instituts für Technologie (IIT) im Juni an der World Haptics 2017 in Fürstenfeldbruck vorgestellt.

„Menschen haben einen angeborenen Sinn dafür, wo sich ihre Körperteile befinden, auch dann, wenn sie sie nicht sehen können“, erklärt Marcia O’Malley, Professorin für Maschinenbau an der Rice University. „Dieser Bewegungssinn ermöglicht es, mit einer Tastatur zu schreiben, eine Tasse zu halten, einen Ball zu werfen, ein Bremspedal zu benutzen und unzählige andere Alltagsaufgaben zu verrichten.“

Der wissenschaftliche Ausdruck für diesen Bewegungssinn lautet Propriozeption und das Mechatronics and Haptic Interfaces Lab (MAHI) von O’Malley arbeitet seit Jahren an einer Technologie, die Amputierten propriozeptives Feedback aus künstlichen Körperteilen vermittelt.

In der neuen Studie, die an der World Haptics 2017 in Fürstenfeldbruck vorgestellt wird, wollen O’Malley und ihre Mitarbeiter demonstrieren, dass ein 18-jähriger nichtbehinderter Proband Größenunterschiede mit einer prothetischen Hand wesentlich besser erkennt, wenn er haptisches Feedback von einer einfachen Vorrichtung erhält, welche die Haut am Oberarm dehnt.

Die Prothese wird in Kombination mit einem am Oberarm befestigten Gerät eingesetzt, dass über eine rotierbare Wippe  („Haptic Rocker“) den Öffnungsgrad der Handprothese auf der Haut haptisch abbildet. Die Studie, die erste ihrer Art, wurde bereits als Anwärter für den Best Paper Award auf der Konferenz benannt.

Die traditionellen Prothesen stellen einige Alltagsfunktionen wieder her, doch nur sehr wenige liefern sensorische Rückkopplung. Meist müssen die Amputierten ihre Prothese sehen, um sie auch angemessen steuern zu können. Verbesserte Rechnerleistung, kostengünstige Sensoren, Vibrationsmotoren aus Mobiltelefonen und andere Elektronikkomponenten haben neue Möglichkeiten für taktiles Feedback oder Haptik mit Prothesen eröffnet.

Man habe die Tests des haptischen Feedbacks mit einfachen Greifern oder virtuellen Umgebungen gefahren, die abbildeten, was die Amputierten erlebten, so O’Malley. Das habe sich durch den Kontakt zu Antonio Bicchis Forschergruppe in Pisa und am IIT geändert, denn diese wollte ihre Handprothese zusammen mit dem haptischen Feedbacksystem der Rice-Forscher testen.

Haptisches Feedback am Oberarm

In den Experimenten an der Rice University, die Ende vergangenen Jahres begannen, haben Edoarda Battaglia, Student in Pisa, und Janelle Clark, Studentin an der Rice University den Haptic Rocker mit der Pisa/IIT SoftHand zusammengebracht. Sie haben ermittelt, wie gut die Versuchspersonen, denen die Augen verbunden wurden, die Größe von ergriffenen Objekten unterscheiden können, mit propriozeptivem Feedback und ohne dieses.

Während einige der propriozeptiven Technologien implantierte Elektroden erfordern, verfügt der Haptic Rocker über eine einfache, nichtinvasive Benutzerschnittstelle, eine rotierende Wippe, die ein Gummiplättchen über die Haut am Oberarm streicht. Ist die Handprothese vollkommen geöffnet, wird die Haut durch die Vorrichtung nicht berührt. Je mehr die Prothese sich schließt, in desto größerem Ausmaß wird die Haut gedehnt.

Die Wahrnehmung auf der Haut soll die Informationen über die Handposition ersetzen, die das Gehirn normalerweise von den Muskeln empfängt.

Die künstliche Hand

Wie der Haptic Rocker, so setzt auch die SoftHand auf ein einfaches Design. Manuel Catalano, Post-Doktorand und Wissenschaftler IIT/Pisa und einer der Entwickler, sagt das Design von den Neurowissenschaften inspiriert worden sei. Er erklärt: „Menschliche Hände haben viele Gelenke, und das in einer robotischen Hand nachzubilden, ist sehr schwierig. Wenn Sie etwas greifen müssen, dann programmiert Ihr Gehirn nicht die Bewegung jedes einzelnen Fingers. Ihr Gehirn hat Muster, auch Synergien genannt, die alle Gelenke in der Hand koordinieren.“ Die SoftHand nutzt eine Steuersynergie, wie es auch Menschen im Alltag tun, so Catalano. Gleichzeitig könne sie sich mit ihren eingebauten Fähigkeiten an die Umgebung anpassen und sich verformen und sie sei robust und in der Lage, Objekte auf unterschiedlichste Weise zu greifen. Neurologische Studien hätten einen Satz von Synergien für die Hand identifiziert, so Battaglia. Die Menschen nutzen diesen entweder allein oder in Kombination, um so einfache Aufgaben wie das Drehen eines Türknaufs oder so komplexe wie das Klavierspielen auszuführen. Ein Objekt wie eine Tasse oder einen Kleiderbügel zu ergreifen, gehöre dabei zu den einfachsten.

Mit Experimenten habe sich zeigen lassen, dass eine Synergie mehr als 50 Prozent aller Griffe erklärten. Die SoftHand solle dies nachbilden. Es gibt nur einen Motor und eine Verbindung für die Steuerung, um alle Finger auf einmal zu öffnen oder schließen. In den Experimenten nutzten die Probanden die SoftHand, um Objekte unterschiedlicher Größen und Formen zu ergreifen, von einem Grapefruit-großen Ball bis hin zu Münzen. Um die Hand zu schließen, hatten die Teilnehmer einfach einen Muskel im Unterarm anspannen müssen. Elektroden nahmen die elektrischen Signale aus dem angespannten Muskel auf und übertrugen diese in die SoftHand.

Tests zur Größenerkennung

Im Test zur Größenwahrnehmung wurden den Teilnehmern die Augen verbunden und sie sollte zwei unterschiedliche Gegenstände ergreifen. Ohne haptisches Feedback wurde das zum Ratespiel. Nur in einem Drittel der Fälle trafen sie die richtige Wahl, was in etwa der Zufallswahrscheinlichkeit entspricht. Der selbe Test mit Feedback führte in 70 Prozent der Fälle zur korrekten Unterscheidung der Größen. Die Entwickler wollen nun herausfinden, ob Amputierte in gleichem Maße von der Kombination aus Haptic Rocker und SoftHand profitieren könnten.

Das besondere an dieser wissenschaftlichen Arbeit sei, so O’Malley, dass man die Anwender von Beginn an in die Forschung einbeziehe, von ersten Entwurf über die Konzeptphase bis hin zu den Tests und Evaluierungen des Systems. Die Zusammenarbeit mit dem Texas Medical Center ermögliche diese Interaktion mit den Anwendern – mit Patienten, Physiotherapeuten und Ärzten – über die gesamte Strecke des Design- und Evaluierungsprozesses.

Weiterer Co-Autor: Matteo Bianchi, Universität Pisa. Die Arbeit wurde unterstützt von der National Science Foundation und den EU-Projekten WEARHAP, SOFTPRO und SoftHands.

Bild: Haptic Rocker, eine drehbar gelagerte Wippe, die ein Gummiplättchen über die Haut am Oberarm streicht. Ist die Handprothese vollkommen geöffnet, wird die Haut durch die Vorrichtung nicht manipuliert. Je mehr sich die künstliche Hand schließt, in desto größerem Ausmaß wird die Haut gedehnt. Bild: Brandon Martin/Rice University

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