Exoskelett Spezialhandschuh hilft Menschen mit gelähmter Hand zu greifen

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Forschende der Technischen Universität München (TUM) haben ein weiches, pneumatisches Hand-Exoskelett entwickelt, das Menschen mit Lähmungen beim Greifen unterstützt. Grundlage ist die Auswertung von Muskelaktivität im Unterarm, mit der sich die Bewegungsabsicht zuverlässig erkennen lässt.

Das „Soft-Hand-Exoskelett“ besteht aus einem Stoffhandschuh mit außenliegenden Luftkissen, die über insgesamt 13 Schläuche gesteuert werden. Durch gezieltes Aufpumpen können einzelne Finger bewegt und das Handgelenk stabilisiert werden. So lassen sich Gegenstände wie Besteck oder Gläser greifen und halten.

Steuerung über Muskelaktivität

Um die Greifabsicht zu bestimmen, messen die Forschenden die Muskelaktivität im Unterarm. Sensoren erfassen die elektrischen Signale, aus denen mithilfe maschinellen Lernens die beabsichtigte Bewegung abgeleitet wird. Zusätzliche Bewegungssensoren sorgen dafür, dass der Griff während Transportbewegungen stabil bleibt. „Um zu verhindern, dass ein Gegenstand versehentlich fallen gelassen wird, erfassen wir mithilfe zusätzlicher Bewegungssensoren Transportbewegungen und halten den Griff des Exoskeletts währenddessen geschlossen“, sagt Forscher Nicolas Berberich.

Das System kombiniert die Erkennung der Greifabsicht mit einer mechanischen Unterstützung der Bewegung. Die Vorhersage basiert auf Muskelaktivitätssignalen, während der Handschuh die entsprechenden Bewegungen ausführt. Der Aufbau ist vergleichsweise einfach: Der Handschuh wurde von den Forschenden selbst gefertigt und besteht aus kostengünstigen Materialien. „Einerseits haben wir eine zuverlässige Vorhersage für das Greifen entwickelt, die Intentionen aus Signalen mit 97-prozentiger Sicherheit ableitet. Andererseits haben wir mit unserem Handschuh eine Hardware entwickelt, die die beabsichtigten Bewegungen unterstützt“, sagt Dr. John Nassour.

Wir haben eine Lösung gefunden, die sich jeder leisten kann und die dennoch zuverlässig funktioniert.

Prof. Gordon Cheng, Leiter des Instituts für kognitive Systeme

Erprobung und Anwendungsperspektiven

Für die Entwicklung arbeitete das Forschungsteam mit einem Patienten zusammen, der an amyotropher Lateralsklerose (ALS) erkrankt ist. Der Patient konnte zu Beginn nur noch ein Fingerglied des Daumens bewegen. Die Forschenden nutzten die dabei entstehenden Muskelaktivitätssignale als Steuerimpuls. Ein Sensor am Unterarm erfasst die Signale des Daumenbeugers, die als Trigger dienen, um die Luftkissen des Handschuhs zu aktivieren.

Trotz sehr schwacher Signale erkannte das System die Greifabsicht in neun von zehn Fällen. Der Patient konnte wieder Gegenstände greifen und erstmals seit vier Jahren eine Gabel halten. Auch das Aufheben kleiner Objekte gelang. Unterstützt wurde das Training durch ein einfaches Spiel, bei dem Bewegungen des Daumens gesteuert werden mussten. „Dieser Patient hat gezeigt, dass unser Soft-Hand-Exoskelett auch bei schweren neurologischen Erkrankungen unterstützen kann“, sagt Prof. Cheng.

Nach Angaben der Forschenden reichen bereits wenige Minuten Training aus, um die Greiffähigkeit deutlich zu verbessern. Das Konzept soll künftig auch für weitere Patientengruppen angepasst werden, etwa für Menschen nach einem Schlaganfall oder mit anderen Formen schlaffer Lähmungen.