Deutscher Zukunftspreis 2017

Handprothesen und Roboterassistenten nominiert für deutschen Zukunftspreis

| Redakteur: Katharina Juschkat

Für den deutschen Zukunftspreis sind u.a. die Entwickler einer Handprothese mit zehn Greifmöglichkeiten und einem Tastsinn nominiert.
Für den deutschen Zukunftspreis sind u.a. die Entwickler einer Handprothese mit zehn Greifmöglichkeiten und einem Tastsinn nominiert. (Bild: Foto Ansgar Pudenz)

Eines haben alle Projekte gemeinsam, die für den deutschen Zukunftspreis nominiert sind: Sie sollen dem Menschen in seinem Alltag weiterhelfen. Umgesetzt haben die Teams das Konzept auf drei ganz unterschiedliche Arten und zeigen hyperrealistische Bilder des Körperinneren, eine Handprothese mit Tastsinn und einen Roboterassistenten. Wir stellen die Nominierten vor.

Prothesen, die erstmals mit Tastsinn ausgestattet sind, ein selbstlernender Roboterassistenz für den täglichen Gebrauch oder hyperrealistische Fotos vom Körperinneren – drei faszinierende Forschungsprojekte sind für den deutschen Zukunftspreis nominiert. Gemeinsam ist den drei Projekten, dass sie Menschen im Alter, bei Krankheit oder Behinderung helfen und das Leben einfacher machen sollen. Wer gewinnt, verkündet Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier am 29. November 2017. Wir stellen die drei Projekte im Einzelnen vor.

Anatomie trifft Kino – Cinematic Rendering

Aufnahmen eines Magnetresonanztomographen (MRT) oder Computertomographen (CT) können oft nur Fachleute richtig verstehen, für den Laien bleiben es unverständliche, graue Schemen. Was aber, wenn das Innere des menschlichen Körpers sich wie eine Fotografie darstellen ließe? Ermöglicht haben das die Forscher bei Siemens Healthineers Dr. Klaus Engel, Dr. Robert Schneider und Dr. Franz Fellner mit der Visualisierungstechnik Cinematic Rendering und sich damit für den deutschen Zukunftspreis nominiert. Die Technik erzeugt in der Radiologie-Befundungssoftware Syngo.via fotoreale und hyperreale, dreidimensionale Abbildungen des Patienten aus CT- und MRT-Rohdaten erzeugt.

Der Schlüssel für die Technik liegt in der Physik des Lichts. Licht besteht aus Elementarteilchen, die in Wechselwirkung mit der Umwelt stehen: Wenn ein Lichtteilchen auf Materie trifft, wird es reflektiert und in verschiedene Richtungen gestreut, dabei wird es an manchen Stellen absorbiert und es entstehen Schatten. In bisherigen medizinischen dreidimensionalen Bildgebungsverfahren wurden die speziellen Eigenschaften des Lichts nicht berücksichtigt. Cinematic Rendering erlaubt erstmals fotorealistische medizinische Darstellungen, indem es die Effekte der Physik nutzt: Ein Algorithmus simuliert die komplexe Interaktion der Photonen mit der gescannten Abbildung eines Patienten.

Seit Anfang 2017 wird Cinematic Rendering nicht mehr nur für Forschungszwecke verwendet: Radiologen können die Technologie mit der Bildgebungssoftware Syngo.via nutzen und damit fotorealistische klinische Bilder auf Basis jedes CT- und MRT-Scans erstellen. Der Render-Prozess erfolgt in der Nachbearbeitung: Nur wenige Klicks sind nötig, um die Patientenbilder auf den Befundungsmonitor zu bringen. Vor einer OP kann so ein sehr genauer Überblick über die Patientenanatomie und Pathologie erlangt und der Eingriff präzise geplant werden. Zudem verbessert es die Kommunikation zwischen Arzt und Patient. Mithilfe der fotorealistischen Bilder kann nunmehr plakativ dargestellt werden, wie eine Fraktur verläuft oder wo ein Tumor wächst.

Roboterassistenten für eine leichtere Zukunft

Das Forscherteam um Dr. Sami Haddadin, Dr. Simon Haddadin und Dipl.-Inf. Sven Parusel entwickelte jahrelang eine neuen Generation von kostengünstigen, sicheren, intelligenten und aktiv unterstützenden Werkzeugen für Menschen. Auf der Hannover Messe 2017 wurde dann das Powertool „Panda“, hergestellt von dem Unternehmen Franka Emika, vorgestellt. Das System lässt sich wie ein Smartphone über Apps bedienen und binnen Minuten auf neue Aufgaben einlernen, ohne Robotikkenntnisse des Benutzers. Dabei ist das System so feinfühlig, dass es direkt neben dem Menschen arbeiten kann.

Das System besitzt in jedem Gelenk ein dem muskulären Apparat nachempfundenes Sensorkonzept, damit es mit seiner Umwelt interagieren kann. Mittels Algorithmen ist es fähig, neue Dinge zu lernen. Um die komplexen Eigenschaften zu beherrschen, haben die Forscher unter anderem ein neuartiges Programmier- und Interaktionsparadigma entwickelt. Der Mensch wird zum Lehrer des Roboterhelfers, um ihn zu einem nützlichen und effektiven Werkzeug nach seinen Wünschen einzusetzen. In gestarteten Projekten werden die Roboterassistenten nun in Behindertenwerkstätten und zur Pflege von ALS Patienten eingesetzt.

Hightech-Prothesen mit Tastsinn

Das dritte nominierte Team, bestehend aus Stefan Schulz, Adrian Andres und Matthias Baßler, hat Handprothesen ins Visier genommen. Prothesen sollen klein und leicht sowie der menschlichen Hand optisch möglichst ähnlich sein. Außerdem sollen sie einfach und intuitiv zu steuern sein. Gleichzeitig wird erwartet, dass die Prothese robust ist und so schnell, kraftvoll und vielseitig zugreifen kann wie die menschliche Hand.

Um diese widersprüchlichen Anforderungen zu erfüllen, nahm das Team die menschliche Hand als Vorbild. Das bionische Design spielte bei der Entwicklung der neuen Handprothesen eine wichtige Rolle, insbesondere hinsichtlich der anatomischen Formgebung, der Haptik beim Greifen sowie der Weltneuheit eines nachempfundenen Tastsinns. Bogenfedern zwischen den Fingergelenken ermöglichen eine adaptive Grundspannung beim Greifen und Halten, in Anlehnung an die Muskeln und Bänder der menschlichen Hand. Alle tragenden metallischen Komponenten der Prothesen werden zudem mit einer weichen Kunststoffhülle verkleidet. Dadurch werden die Prothesen mit einer natürlichen Haptik ähnlich der der menschlichen Haut ausgestattet, was das sichere Zugreifen erleichtert.

Neue Steuerung ermöglicht zehn verschiedene Griffmuster

Der bei der menschlichen Hand so selbstverständliche Tastsinn konnten Prothesen bisher kaum umsetzen. Daher wurde für das neue Prothesensystem ein Vibrationsfeedback entwickelt, das dem Prothesenträger eine Information zur aktuellen Griffstärke vermittelt. Dies ermöglicht es dem Nutzer auch ohne direkten Sichtkontakt sicher zu zugreifen. Zudem haben Studien gezeigt, dass dadurch auch Phantomschmerzen gelindert werden können.

Auch im Bereich der Steuerung wurden neue Wege gegangen. Multiartikulierende Prothesen werden meist mit Sensoren gesteuert, die die Muskelanspannung erfassen. Da hierfür in der Regel nur Signale von zwei Unterarmmuskeln verfügbar sind, ist die Auswahl unterschiedlicher Griffarten oft kompliziert. Für die Vincent-Prothesen wurde deshalb ein neues Steuerungskonzept entwickelt. Erstmals kann ein Prothesenträger alle Griffe direkt und intuitiv mithilfe verschiedener Abfolgen der Muskelsignale nutzen. Mithilfe eines speziellen Griffauswahlschemas, das die verschiedenen Griffe untereinander in eine spezifische Ordnung bringt, können so zehn Griffmuster und viele weitere Griffkombinationen genutzt werden.

Auch für Kinder und Jugendliche entwickelte das Team Prothesen: Die Vincent Young verfügt über vier Motoren, welche die einzelnen Finger antreiben, und ist somit die erste multiartikulierende Kinderhandprothese. Eine besondere Herausforderung stellte die Miniaturisierung der Antriebe dar, welche durch eigens entwickelten Hochleistungsgetriebe gemeistert wurde.

Welches Team den deutschen Zukunftspreis gewinnt, kann am 29. November 2017 ab 18.00 Uhr per Livestream verfolgt werden. Das ZDF sendet die Veranstaltung ab 22.15 Uhr.

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