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Wie Robotik im Gesundheitswesen zum Tragen kommt

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Medizinische Robotik verbindet Mensch und Maschine. Was nach Science-Fiction klingt, ist heute schon Realität. An der ETH Zürich entwickeln Forscher Methoden, um gelähmten Menschen zu ermöglichen, wieder zu gehen – und Wettkämpfe zu bestreiten.

Maria Rosanna Fossati an der Cybathlon Experience im HB. (Source: Netzmedien)
Maria Rosanna Fossati an der Cybathlon Experience im HB. (Source: Netzmedien)

Treppensteigen, eine Jacke anziehen, einen Nagel in die Wand schlagen oder eine Kiste Mineralwasser herumbugsieren. Für die meisten Menschen sind das alltägliche Aktivitäten, an die kaum je ein Gedanke verschwendet wird. Für Maria Rosanna Fossati, Florian Hauser und Thomas Krieg sind es Herausforderungen – und Wettkampfdisziplinen. Die drei Sportler messen sich Ende August im Hauptbahnhof Zürich an der "Cybathlon Experience". Der Event, ein Vorgeschmack auf den grossen Cybathlon 2020 im kommenden Jahr, lässt Sportler mit Behinderungen im Rahmen von "Weltklasse Zürich" gegeneinander antreten. Maria Rosanna Fossati vom Team "Softhand Pro" muss mit ihrer Armprothese unter Zeitdruck verschiedene Aufgaben erfüllen. Florian Hauser überwältigt für das Team "HSR Enhanced" im Rollstuhl einen Hindernisparcours – samt geschlossener Tür. Und der querschnittgelähmte Bobfahrer Thomas Krieg, am Start für das Team "Varileg Enhanced", tritt mit Unterstützung eines robotischen Exoskeletts zum Wettkampf an. Die Teilnehmer des Cybathlons haben eines gemeinsam: Ihnen allen hilft Robotik, die Grenzen des eigenen Körpers zu überschreiten; wieder gehen, greifen oder tragen zu können.

77 Teams aus 27 Ländern wetteifern um eine Goldmedaille. Den Cybathlon kann man sich vorstellen als Olympiade für Menschen mit körperlicher Beeinträchtigung, die mithilfe technischer Assistenzsysteme verschiedene Aufgaben lösen, die von Aktivitäten des täglichen Lebens inspiriert sind.

15 Studierende treten mit dem Exoskelett Varileg Enhanced an. Es ist gewissermassen ein Anzug aus Aluminium, Karbon und vier Präzisionsmotoren. Die entsprechende Software besteht aus über 10 000 Zeilen Programmiercode. Das Ganze entstand im Rahmen eines Ausbildungsprojekts der ETH Zürich und der Hochschule für Technik Rapperswil. Ziel ist es, neue Ansätze zu entwickeln und diese auf die Probe zu stellen. Und das übergeordnete Ziel: einem querschnittgelähmten Menschen zu ermöglichen, wieder aufrecht zu gehen.

 

Eine Ko-Entwicklung von Forschern und ­Betroffenen

Beim ersten Cybathlon, das war vor drei Jahren, trat das ETH-Team mit einem früheren Prototyp an. Dieser schaffte es auf Platz 5 von 7. "Im Gegensatz zur heutigen Version hatten wir Varileg 2 allerdings nicht speziell für den Cybathlon, sondern für Forschungszwecke konzipiert", sagt Roger Gassert, Professor für Rehabilitationstechnik an der ETH Zürich. Gassert betreut das Team mit und ist Vizepräsident des strategischen Rats des Cybathlon.

Die Goldmedaille gewann damals kein Forschungslabor, sondern das US-amerikanische Unternehmen Rewalk. Seit 2011 bietet es Rehabilitationskliniken tragbare, motorisierte Exoskelette an. Und seit 2014 adressiert das Unternehmen auch Privatpersonen. "Wer bereits ein Produkt hat, ist in einer guten Ausgangslage", sagt Gassert. Rewalk habe damals das Rennen gemacht, weil die Firma ein sehr leichtes und dennoch robustes System entwickelt hatte, das passgenau auf den Piloten zugeschnitten gewesen sei. Dieser sei zudem sehr gut mit dem Exo vertraut gewesen. Die Studierenden hinter Varileg 2 hatten hingegen wenig Zeit zum Trainieren. Schliesslich hätten sie den Prototyp in nur wenigen Monaten auf die Beine stellen müssen.

Für die aktuelle Version von Varileg mussten die Studierenden einige Hindernisse bewältigen: Gewicht reduzieren, Robustheit und strukturelle Stabilität erhöhen, mehr Drehmoment fürs Treppensteigen. Und: ein besseres Zusammenspiel zwischen Mensch und Maschine. Hier liegt der Schlüssel zum Umgang mit einem Exoskelett: Personalisierung und Übung. "Es ist eine Ko-Entwicklung", sagt Gassert. "Man muss das Gerät möglichst individuell anpassen. Und umgekehrt muss sich der Nutzer an das Gerät anpassen, indem er lernt, Bewegungen auf eine andere Art und Weise auszuführen."

 

Thomas Krieg absolviert den Parcours der Cybathlon Experience mit einem Exoskelett. (Source: ETH Zürich)

 

Zeigen, was möglich ist – und was nicht

Für die Unternehmen, die am Cybathlon teilnehmen, geht es sicher auch ums Marketing, wie Gassert sagt. Die Forschungslabore haben jedoch anderes im Sinn: Das eine Ziel besteht darin, den praktischen Nutzen und den aktuellen Stand der Forschung aufzuzeigen. "Wir wollen zeigen, was heute möglich ist – und was noch nicht", sagt Gassert. "Wir sind zwar noch lange nicht in der Welt der Cyborgs und des Transhumanismus angelangt, aber wir entwickeln laufend neue technische Möglichkeiten, die beeinträchtigten Menschen dabei helfen, alltägliche Aufgaben selbstständiger zu erledigen."

Das andere Ziel ist, den Dialog zu fördern – zwischen Entwicklern, Forschern, Betroffenen und der Gesellschaft. "Wir wollen auch zeigen, dass es noch viele Herausforderungen zu bewältigen gibt – nicht nur technische, sondern auch ethische und regulatorische", sagt Gassert.

Wie sieht es mit den kommerziellen Möglichkeiten aus? Für Varileg gab es bereits Pläne, wie Gassert sagt. Ein ETH-Doktorand hatte die Idee, das Exo als Hilfsmittel für den Alltag zu vermarkten. Er hatte sich bereits Gelder und Unterstützung von einem ETH-Förderprogramm gesichert. Doch die Marktanalyse habe gezeigt: Für den täglichen Einsatz von Exoskeletten gibt es aktuell keinen vernünftigen Businessplan. Allein die Material­kosten für Varileg liegen derzeit bei rund 60 000 Franken. "Ich bezweifle, dass Gang-Exoskelette im aktuellen Entwicklungsstand rentabel sein können", sagt Gassert. "Und es sieht auch nicht danach aus, als ob jemand mit dem Verkauf von medizinischen Exos viel Geld verdient."

 

Vom Trainingsgerät zum Fortbewegungsmittel

Es dürfte also noch eine Weile dauern, bis Exoskelette wirklich im Alltag ankommen. "Ich rechne mit 10 bis 20 Jahren, bis Exos zuhause bei Alltagsaktivitäten zum Einsatz kommen", sagt Gassert. Und auch dann werden sich wohl nur wenige Menschen ein eigenes Exo leisten können. "Ich könnte mir aber vorstellen, dass es bis dahin auch Mietmodelle gibt. Dass man sich also zeitweise ein Exo ausleihen kann." Bis dahin müssten die Forscher und Ingenieure allerdings noch einige Schwierigkeiten überwinden. Hohe Entwicklungs- und Unterhaltskosten, Unfallrisiken, kurze Batterielaufzeiten – das alles erschwert den alltäglichen Einsatz von Exoskeletten.

Deswegen sei derzeit vor allem der klinische Einsatz sinnvoll, sagt Gassert. In den grossen Schweizer Rehabilitationszentren sind bereits stationäre Exoskelette im Einsatz. Zum Beispiel der "Lokomat", ein fix installierter Roboter, der Patienten mit Hirnverletzungen oder neurologischen Erkrankungen dabei hilft, das Laufen neu zu lernen. Aber auch mobile Exos wie Varileg halten nun Einzug in Kliniken.

Querschnittgelähmte Menschen, die regelmässig ein Exo benutzen, könnten auf vielerlei Weise profitieren. In physiologischer Hinsicht zeigten sich positive Effekte bezüglich Knochendichte, Darm- und Blasenfunktionen, erklärt Gassert. Besonders eindrücklich seien aber die psychologischen Effekte. Die Piloten berichteten, dass das Training ihr Wohlbefinden und ihre Motivation enorm steigere. "Das spüren wir auch im Labor. Da erleben wir immer wieder sehr bewegende Momente. Zum Beispiel, als ein querschnittgelähmter Mann zum ersten Mal wieder aufrecht stehen und seine Frau in den Arm nehmen konnte."

 

Das handliche Exoskelett

Auch Tobias Bützer erlebt bei seiner Arbeit immer wieder ergreifende Momente. Bützer entwickelt ein Exoskelett für die Hand. Vor vier Jahren übernahm er das Projekt namens Tenoexo und schloss kürzlich seine Dissertation darüber ab. "Wir haben schon erfreuliche Ergebnisse erzielt", sagt er. "Beispielsweise konnten Tetraplegiker mithilfe des Exos ihre Hände wieder einsetzen, etwa einen Ball aufheben oder eine Tasse halten."

Das Hand-Exo soll zunächst in der Physiotherapie zum Einsatz kommen und insbesondere Patienten nach einem Schlaganfall dabei helfen, zurück in den Alltag zu finden. Auch bei der Rehabilitation von funktionellen Einschränkungen der Hand infolge anderer Erkrankungen oder Verletzungen sei der Einsatz vielversprechend, sagt Bützer. Das Kinderspital Zürich teste das Gerät. Kinder, die sich dort von einer Verletzung oder einer Krankheit erholen, machen mit dem Exoskelett physiotherapeutische Übungen, die den Heilungsprozess beschleunigen sollen.

 

Rehabilitation und Assistenz im Alltag

Das grosse Ziel ist jedoch ein anderes: "Unser Hauptanliegen ist es, dass Patienten das Exo als Hilfsmittel im Alltag einsetzen können", sagt Bützer. Insbesondere Menschen mit chronischen Beeinträchtigungen sollen ihre Hand dank des Exos wieder nutzen können – etwa beim Mittagessen, im Ausgang oder für die Körperpflege. Und bestenfalls könnten sich die Handfunktionen durch den täglichen Einsatz mit dem Exo wieder verbessern.

"So weit sind wir aber noch nicht", sagt Bützer. Das Gerät sei noch nicht robust genug. Deswegen könnten Patienten das Gerät noch nicht wochenlang mit nach Hause nehmen. Doch ein neuer, verbesserter Prototyp sei bereits so gut wie fertig. "In einem halben Jahr sind wir so weit: Dann werden wir Tenoexo als Assistenzgerät im Alltag testen können."

 

Schnelles Prototyping dank 3-D-Druck

Das Besondere am Herstellungsprozess von Tenoexo: Die meisten Teile stammen aus dem 3-D-Drucker. "Das ermöglicht uns, sehr schnell neue Prototypen zu entwickeln. Und wir können die Einzelteile gewissermassen massgeschneidert herstellen", sagt Bützer. Im Labor werde die Hand eines Patienten genau abgemessen. Anschliessend erstellt Bützer mithilfe einer CAD-Software ein virtuelles Modell der Hand. Und schon am Folgetag kann man das individuell zugeschnittene Hand-Exo zusammenbauen.

Ein weiterer Vorteil des 3-D-Drucks: Die Einzelteile von Tenoexo sind leichter als bei anderen Hand-Exos. Ausserdem sei es besonders kompakt, wodurch es sich schnell an- und wieder abziehen lasse. "Das könnte vor allem für Rollstuhlfahrer nützlich sein", sagt Bützer.

Die grosse Herausforderung bei der Entwicklung sei es, die richtige Balance zu finden zwischen Funktionalität und Formfaktor. "Je mehr Handfunktionen das Exo unterstützt, desto komplizierter, grösser und schwerer wird der Apparat", sagt Bützer. Der Knackpunkt besteht also darin, den richtigen Kompromiss zu finden. Das Exo soll schliesslich die wichtigsten Handbewegungen ermöglichen können und dabei möglichst portabel sowie leicht sein.

 

Schon bald einsatzbereit für den Alltag

Die Materialkosten liegen derzeit zwischen 1500 und 2000 Franken pro Exemplar, wie Bützer sagt. Wie viel es letztlich kosten wird? "Schwer zu sagen. Im Moment haben wir nur ein Ziel: Ein Gerät herzustellen, das den Menschen hilft." Doch ein kommerzieller Einsatz sei durchaus denkbar. "Wenn Tenoexo bei den Patienten gut ankommt, könnte ich mir gut vorstellen, aus dem Projekt ein Start-up zu machen." Als fertiges Produkt dürfte das Exo allerdings frühestens in zweieinhalb, drei Jahren erhältlich sein. "Bis dahin werden Hand-Exoskelette wohl für einige Menschen zum Alltag gehören. Aber bis wir uns daran gewöhnt haben, dass wir im täglichen Leben mit solchen Robotern herumspazieren, wird noch eine Weile dauern", sagt Bützer.

Bis dahin werden Forscher und Entwickler weiter tüfteln, testen und eben auch zeigen, was möglich ist und wo die Grenzen liegen. Dementsprechend versteht sich der Cybathlon nicht nur als Wettbewerb. Das Ziel besteht nicht nur darin, Ingenieure und Betroffene anzuspornen und die Zuschauer in Staunen zu versetzen, sondern auch Diskussionen anzustossen über Inklusion und Gleichberechtigung von Menschen mit Behinderung.

Lesen Sie dazu auch das Interview mit Jaime Duarte, CEO des ETH Spin-offs Myoswiss. Myoswiss hat einen Exo-Suit entwickelt, der Menschen mit Muskelschwächen das Gehen erleichtern soll. Duarte spricht darüber, wie der Suit funktioniert und welche Pläne Myoswiss damit hat.

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