Kognitive Strategien für einen augmentierten Körper mit einem dritten Arm

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Kognitive Strategien für einen augmentierten Körper mit einem dritten Arm
Wissenschaftler der EPFL zeigen, dass die Atmung bei gesunden Menschen zur Betätigung eines zusätzlichen Roboterarms verwendet werden kann, ohne die Kontrolle über andere Körperteile zu beeinträchtigen.

Der Neuroengineer Silvestro Micera entwickelt technologische Lösungen, um Menschen zu helfen, ihre sensorischen und motorischen Funktionen nach Traumata oder aufgrund von neurologischen Störungen wiederherzustellen. Bis heute hatte er noch nie daran gearbeitet, den menschlichen Körper und die Kognition mithilfe von Technologie zu verbessern.

In seiner Studie, die in Science Robotics veröffentlicht wurde, zeigen der Forscher und sein Team, wie man die Bewegung des Zwerchfells nutzen kann, um einen zusätzlichen Arm zu steuern. Mit anderen Worten: Es geht darum, eine Person ohne medizinische Probleme mit einem dritten Arm, in diesem Fall einem Roboterarm, zu erweitern.

"Unsere Arbeit eröffnet neue und aufregende Möglichkeiten, indem sie zeigt, dass man wirklich zusätzliche Arme kontrollieren kann, und zwar bei gleichzeitiger Kontrolle unserer beiden natürlichen Arme", erklärt Silvestro Micera, Inhaber des Bertarelli-Lehrstuhls für translationales Neuroengineering an der EPFL und Professor für Bioelektronik an der Scuola Superiore Sant’Anna.


Die Studie ist Teil des Third-Arm-Projekts , das Menschen mit einem Roboterarm ausstatten will, um sie bei alltäglichen Aufgaben zu unterstützen oder Hilfe bei Rettungsaktionen zu leisten. Silvestro Micera glaubt, dass wir durch die Erforschung der kognitiven Einschränkungen, die mit der Verwendung dieses dritten Arms verbunden sind, das menschliche Gehirn besser verstehen können.

"Indem wir diesen dritten Arm kontrollieren, ist unser Hauptziel, das Nervensystem zu verstehen", fährt der Forscher fort. Wenn man das Gehirn mit völlig neuen Aufgaben herausfordert, kann man sehen, ob es dazu in der Lage ist und ob es möglich ist, das Lernen zu erleichtern. Dann werden wir dieses Wissen nutzen, um beispielsweise Hilfsmittel für Menschen mit Behinderungen oder Protokolle für die Rehabilitation nach einem Schlaganfall zu entwerfen."

"Wir wollen verstehen, ob unsere Gehirne so verdrahtet sind, dass sie kontrollieren können, was die Natur uns gegeben hat", erklärt Solaiman Shokur, Co-Direktor der Studie und Lehr- und Forschungsbeauftragter an der EPFL. Wir haben gezeigt, dass sie sich anpassen können, indem sie neue Gliedmaßen zusammen mit unseren biologischen Gliedmaßen koordinieren. Es geht darum, neue motorische Funktionen zu erwerben, Verbesserungen, die über die bestehenden Funktionen eines normalen Nutzers hinausgehen, egal ob es sich um eine gesunde Person oder eine Person mit einer Behinderung handelt. Aus der Sicht des Nervensystems gibt es ein Kontinuum von der Rehabilitation bis zur Augmentation".

Um die kognitiven Einschränkungen der Augmentation zu erforschen, bauten die Wissenschaftler zunächst eine virtuelle Umgebung auf und testeten die Fähigkeit eines nichtbehinderten Nutzers, einen virtuellen Arm mit seinem Zwerchfell zu steuern. Das Team fand heraus, dass die Kontrolle des Zwerchfells nicht mit Aktionen wie der physiologischen Armkontrolle, dem Sprechen oder dem Blickkontakt interferiert.

Bei diesem Virtual-Reality-Experiment wird der Benutzer mit einem Gürtel ausgestattet, der die Bewegungen des Zwerchfells misst. Mit einem Virtual-Reality-Helm sieht er drei Gliedmaßen: den rechten Arm und seine Hand, den linken Arm und seine Hand und einen dritten Arm dazwischen, der mit einer symmetrischen Hand mit sechs Fingern endet.

"Wir haben eine symmetrische Hand gezeichnet, um einen Bias zugunsten der linken oder rechten Hand zu vermeiden", erklärt Giulia Dominijanni, Doktorandin am Neuro-X-Institut der EPFL.

In dieser virtuellen Umgebung wird der Nutzer aufgefordert, die linke und rechte Hand oder die symmetrische Hand in der Mitte auszustrecken. In der realen Umgebung hält sich der Nutzer mit beiden Armen an einem Exoskelett fest, um die virtuelle Version der beiden Gliedmaßen zu steuern. Die vom Gürtel erfassten Bewegungen des Zwerchfells werden zur Steuerung der virtuellen, symmetrischen Gliedmaße in der Mitte verwendet. Das System wurde an 61 Personen in über 150 Sitzungen getestet.


"Die Steuerung des dritten Arms mit dem Zwerchfell ist sehr intuitiv", erklärt Giulia Dominijanni. Die Nutzer lernen sehr schnell, wie sie die zusätzliche Gliedmaße kontrollieren können. Darüber hinaus ist unsere Kontrollstrategie an sich unabhängig von den biologischen Gliedmaßen. Wir zeigen, dass die Kontrolle des Zwerchfells die Fähigkeit des Nutzers, zusammenhängend zu sprechen, nicht beeinträchtigt."

Die Wissenschaftler haben auch die Steuerung über das Zwerchfell mit einem echten Roboterarm erfolgreich getestet - eine vereinfachte Version, die aus einem Stab besteht, der ausgefahren und zusammengeklappt werden kann. Wenn der Benutzer das Zwerchfell zusammenzieht, wird der Stab ausgefahren. In dem Experiment, das analog zu dem in der virtuellen Umgebung durchgeführt wird, muss der Nutzer Ziele erreichen und dort seine physiologische oder robotische Hand halten.

Abgesehen vom Zwerchfell testeten die Wissenschaftler auch die Ohrmuskeln auf ihre Fähigkeit, neue Aufgaben zu bewältigen. Dieses Experiment wurde in ihrem Artikel nicht beschrieben. Der Benutzer wurde mit Sensoren im Ohr ausgestattet und übte, feine Bewegungen des Ohrs zu kontrollieren, um die Bewegung eines Mauszeigers auf einem Computer zu steuern.


"Die Anwender könnten diese Muskeln potenziell dazu nutzen, eine zusätzliche Gliedmaße zu kontrollieren", erklärt Solaiman Shokur. Laut dem Forscher könnte diese alternative Kontrollstrategie eines Tages zur Entwicklung von Rehabilitationsprotokollen für Patienten beitragen, die von motorischen Problemen betroffen sind.

Im Rahmen des Third Arm Project hatten frühere Studien zur Steuerung von Roboterarmen das Ziel, Menschen mit Amputationen zu helfen. Diese neueste Studie in Science Robotics führt jedoch weg von der Problematik der Körperreparatur und hin zur Problematik der Augmentation.

"In einem nächsten Schritt werden wir den Einsatz komplexerer Robotergeräte erforschen und dabei unsere verschiedenen Kontrollstrategien nutzen. Es wird darum gehen, echte Aufgaben innerhalb und außerhalb des Labors zu erledigen. Erst dann werden wir uns ein Bild vom wahren Potenzial dieses Ansatzes machen", schließt Silvestro Micera.