Articles

Ist das die Zukunft der Roboterbeine?

Um 5 Uhr an einem glühenden Morgen im Juni 2007 half US Marine Cpl. William Gadsby, ein Team von Infanteristen in das Ackerland um Karma, ein landwirtschaftliches Zentrum in der irakischen Provinz Anbar, zu führen. Karma ist Pfannkuchen-flach, mit Sichtlinien für Meilen, und nach ein paar Stunden auf Patrouille, Gadsby wurde besorgt. Wir sind schon zu lange hier draußen, dachte er. Sie verfolgen uns wahrscheinlich.

Gegen 10 Uhr morgens hörte er einen ohrenbetäubenden Knall. Eine Rauchwolke umhüllte ihn. Er versuchte zu rennen und kam nirgendwohin: Eine aus der Ferne gezündete Bombe hatte sein rechtes Bein in eine Masse von Blut und Gristle verwandelt. Alles, was er fühlte, war Adrenalin. Ohren klingelten, er rollte und wichste vom Ort der Explosion weg, bis er den Straßenrand erreichte. Als er im Dreck lag und ein Korpsman ein Tourniquet an seinem rechten Bein anlegte, pulverisierte die Kugel eines Scharfschützen sein linkes Knie.

Mehr Kugeln vorbei gezippt. Gadsby brüllte Befehle aus, sogar als Liter Blut aus seinem Körper strömten. Nachdem die Aufständischen zurück in das Ackerland geflohen waren, Seine Männer markierten einen vorbeifahrenden Lastwagen und luden ihn in den Rücken. Sein Atem war zerlumpt und trocken, und er flackerte in und aus dem Bewusstsein. Im Feldlazarett las ihm ein Priester seine letzten Riten vor. Seine Augen schlossen sich.

Eineinhalb Tage später erwachte er im Sanitätstrakt eines Stützpunktes in Deutschland. Wie durch ein Wunder hatte ein Unfallchirurg sein linkes Bein erhalten – aber das rechte war oberhalb des Knies abgesägt worden.Es folgten monatelange Schmerzen: die endlose Physiotherapie, das Einsetzen einer Prothese, die Herausforderung, wieder laufen zu lernen. Gadsby, 29 Jahre alt, stand allem frontal gegenüber. Nachdem er auf eine Basis in Südkalifornien verlegt worden war, verbrachte er seine Nachmittage damit, am Strand auf und ab zu humpeln, weil das Gehen im Sand echte Anstrengung erforderte, und er dachte, es würde seine Genesung beschleunigen.

Das Gehirn hinter einer erstaunlichen bionischen Prothese ist bereit, die Fähigkeiten aller zu verbessern

Das tat es nicht. Ein Teil des Problems war seine Prothese. Es war ein Fuß aus Kohlefaser – top of the line, seine Ärzte hatten ihm versichert – und obwohl es etwas Flex hatte, fühlte sich das Gerät immer noch zu steif an. Jeder Schritt schickte ihm eine Schockwelle in den Rücken. Er war immer wund.“Ich dachte, ich lebe in einer Zeit, in der die Technologie nur expandiert — jedes Jahr gibt es einen revolutionären Durchbruch“, sagte Gadsby, jetzt Ehemann und Vater und Sozialarbeiter in Ausbildung, kürzlich zu mir. „Das gab mir Hoffnung. Etwas zu tun.“

Im Frühjahr 2010 las er über eine neue Art von Prothese, die von Hugh Herr, Leiter der Biomechatronik-Gruppe am MIT Media Lab, entwickelt wurde. Herr selbst war ein Doppelamputierter: 1982, als er gerade 17 Jahre alt war, hatte er beide Beine durch Erfrierungen während einer Bergsteigerexpedition verloren. Während eines Master-Abschlusses in Maschinenbau am MIT, einer Promotion in Biophysik an der Harvard und Postdoc-Arbeit in Biomechatronik am MIT, Herr hatte eine immer anspruchsvollere Reihe von künstlichen Knien entwickelt, Füße und Knöchel. Seine neueste Erfindung war ein vollständig computergesteuertes Knöchel-Fuß-System namens BiOM, das einen Fuß aus Fleisch und Blut imitierte und den Benutzer bei jedem Schritt vorwärts trieb. Es hatte keine Ähnlichkeit mit anderen Prothesen auf dem Markt.“Für mich war dieser Typ, Dr. Herr, eine Inspiration“, sagt Gadsby. „Im Gegensatz zu uns anderen saß er nicht herum und dachte:’Ich wünschte, sie könnten sich ein besseres Gerät einfallen lassen. Er bekam diese Abschlüsse, damit er sich selbst reparieren konnte – und alle anderen reparieren konnte.“

***

Herr’s BiOM (in an X-ray view), a fully computerized ankle-foot system, bore no resemblance to any other prothesis. (David Arky)

In weniger als 20 Jahren, sagt er, „wird es üblich sein, nach draußen zu gehen und jemanden zu sehen, der einen Roboter trägt, was eine Art Bionik bedeutet.“ (David Arky)

William Gadsby wurde im Irak verwundet und wurde ein früher BiOM-Testpatient für Amputierte über dem Knie. (Logan Mock-Bunting)

Als Herr 1986 mit von ihm entworfenen Prothesen zu den Felsen (in Arizona) zurückkehrte, verbesserte sich sein Klettern tatsächlich. (Beth Wald / Aurora Photos)

Mit ausgeklügelten Sensoren und Motoren ahmt das BiOM den menschlichen Gang genauer nach, als es andere Prothesen können. (Jimmy DeVarie, BiOM)

„Es fühlte sich echt an“, sagt William Gadsby über sein BiOM. Wurzeln und Felsen waren früher gefährliche Hindernisse, aber „jetzt kann ich wandern.“ ( Logan Mock-Bunting)

Mit ausgeklügelten Sensoren und Motoren ahmt das BiOM den menschlichen Gang genauer nach, als es andere Prothesen können. (BiOM )

In den letzten vier Jahren haben die rund 30 Mitglieder der Biomechatronik-Gruppe des Media Labs in einem Labor im zweiten Stock eines glänzenden Glaskomplexes in der Amherst Street in Cambridge unweit des Charles River gearbeitet. Der Raum ist hoch und hell und wird von einem Laufband dominiert, auf dem Prothesen und exoskeletale Geräte getestet werden. Inmitten der schlanken Glasfaserstreben und polierten Maschinenteile sticht ein Objekt hervor: ein fleischfarbener Gummianhang, der als Jaipur-Fuß bekannt ist. Seine Anwesenheit im Labor ist talismanisch, gedenk. Bis vor relativ kurzer Zeit war der 1971 von einem indischen Chirurgen erfundene Jaipur-Fuß der Höhepunkt der Prothetik: ein lebloser Klumpen, der die Form eines Fußes nachahmte, ohne seine Funktion zu replizieren.“Wood, rubber, plastics“, rezitierte Hugh Herr, als ich ihn Anfang des Jahres in Cambridge besuchte. „Zum Zeitpunkt meines Unfalls war das die Realität. Es gab Fuß-Knöchel-Systeme, aber es gab keine rechnerische Intelligenz. Und viele wichtige technologische Fähigkeiten waren nicht vorhanden, wie kostengünstige, leistungsstarke, kleine Mikroprozessoren. Viele Sensorfunktionen waren nicht verfügbar. Gleiches gilt für Stromversorgungen und Motoren.“

Persönlich hat Herr, 51, eine raffische Luft — mehr Pariser Künstler als hart geladener amerikanischer Wissenschaftler. Er trägt sein dickes Haar zurückgefegt und bevorzugt dunkle Blazer und bunte Schals. (Bei einem Shooting für eine italienische Ausgabe des Wired-Magazins posierte er in einem maßgeschneiderten Overall aus feinem Leinen; Eine Sprengung des Covers hängt prominent im MIT-Labor.) Aber der Eindruck täuscht. Herr hat gestanden, „stoisch zu einem Fehler“ zu sein,und wenn er mit Fragen konfrontiert wird, die er als trivial oder uninteressant ansieht, Er hat die Angewohnheit, einsilbig zu werden. „Ich drücke einfach nicht aus, was drin ist“, wurde Herr zitiert. „Meine Schüler neigen dazu, Angst vor mir zu haben, und ich wünschte, sie wären es nicht.“

Teilweise könnte der Stoizismus eine Antwort auf das Leben im Rampenlicht sein. Noch bevor er seine Beine verlor, Herr war eine Sensation in der Kletterwelt — ein gutaussehender Junge von einer Mennoniten-Farm in Pennsylvania, der wilde und haarige Routen aufstellte, die selbst hartgesottene Veteranen nur schwer replizieren konnten. Sein Unfall, das Ergebnis einer verpfuschten Winterbesteigung des Mount Washington in New Hampshire, verlangsamte ihn einige Monate lang, aber bald kletterte er wieder mit Prothesen, die er in seiner eigenen Werkstatt entwarf. Und etwas Seltsames geschah: Sein Klettern verbesserte sich. Er hatte flexible Gummifüße, die ihm halfen, knifflige Risse zu versenken, und spezialisierte Steigeisen zum Erklimmen von Eiswänden. Wieder riefen die Medien an – Zeitschriften, Zeitungen, Fernsehen.

Gleichzeitig stieß er immer wieder auf Vorurteile gegen Menschen wie ihn. „Mein Vater erzählte mir diese Geschichte darüber, wie kurz nach der Amputation meiner Gliedmaßen eine Person im Krankenhaus auf ihn zukam und sagte:’Oh, es tut mir so leid. Er war nicht verheiratet, oder? Ich war sofort untermenschlich geworden!“ Herr staunte. „Es war faszinierend. Wir sind alle so programmiert zu denken, dass ein ungewöhnlicher Körper ein schwacher ist.“

Er war entschlossen, das zu ändern. Ein mittelmäßiger Gymnasiast, Er konsumierte jetzt Mathematiklehrbücher mit der Kiste. In seinen frühen 20ern, Er schrieb sich an der Millersville University ein, eine kleine Schule ein paar Meilen von der Familienfarm in Lancaster, Pennsylvania. Während seines Studiums erhielt er sein erstes Patent für eine Prothesensocke, die ein System aus aufblasbaren Blasen und Mikroprozessoren nutzte, um dem Träger zu helfen, besser und bequemer zu gehen. Das Gerät – zusammen mit einem Sterling—Notendurchschnitt – erregte die Aufmerksamkeit der Zulassungsmitarbeiter des MIT, und in den frühen 1990er Jahren zog Herr nach Cambridge, um an seinem Master-Abschluss zu arbeiten. Er erfand unaufhörlich, immer basteln, bauen, verbessern. Die Patente häuften sich: für künstliche Gelenke, computergesteuerte Knöchel, biomimetische Gelenkaktuatoren.Die Prothesenindustrie schien in einem anderen Jahrhundert gefangen zu sein, und Herr wollte sie ins digitale Zeitalter bringen. „Es gab eine lange Zeit, in der es in anderen Sektoren viel technologischen Fortschritt gab, aber nicht in unserem Bereich“, sagte mir Elliot Weintrob, ein Prothetiker aus Virginia, der BiOM-Geräte verkauft. „Ja, Sie hatten die Entstehung von Kohlefaser, aber die Verbesserungen waren inkrementell: Leichtere Kohlefaser, stärkere Kohlefaser. OK, was ist das nächste Level? Die nächste Stufe war Macht. Denn egal, wie viel Feder Sie in dieser Kohlefaser haben, bis Sie versuchen, die Wirkung des Muskels zu ersetzen, sind Sie von Natur aus begrenzt. Das war Hugh Herr’s Genie – er verstand das.“

Im Jahr 2007 gründete Herr ein Bionik-Unternehmen namens IWalk (der Name wurde später in BiOM geändert) und machte sich daran, die fortschrittliche Technologie zum Leben zu erwecken, die ihn schon immer fasziniert hatte. Forschung und Entwicklung in der Prothetik waren für Ingenieure und Wissenschaftler nicht besonders gut finanziert oder attraktiv, aber die Dinge änderten sich schnell. „Mit dem Krieg gegen den Terror und den Konflikten im Irak und in Afghanistan und all diesen Verletzten hatte der Kongress Millionen an Forschungsgeldern freigesetzt“, erinnerte sich Herr. „Ein weiterer Treiber war, dass die für die Bionik relevanten Schlüsseldisziplinen von der Robotik bis zum Tissue Engineering gereift waren. Und sie reiften zu einem Niveau heran, auf dem wir tatsächlich Bionik aufbauen konnten, wie es sich Hollywood- und Science-Fiction-Autoren vorgestellt hatten.“Herr trainierte seinen Fokus auf den Knöchel, einen erschreckend komplexen Teil der menschlichen Anatomie, der traditionell von der Prothesentechnologie unterversorgt wird. Ende 2009 wurde der PowerFoot BiOM getestet, das erste Unterschenkelsystem, das Robotik einsetzt, um die Muskel- und Sehnenfunktion zu ersetzen. Mit integrierten Mikroprozessoren und einer Drei-Zellen-Ionen-Lithium-Batterie trieb das Gerät den Benutzer bei jedem Schritt in der Art eines organischen Muskels voran. Für den Antrieb verließ sich der BiOM auf eine speziell angefertigte Kohlefaserfeder – jedes Mal, wenn der Benutzer das Gerät betrat, wurde die Feder mit potentieller Energie belastet. Im Aufwärtsschritt wurde diese Energie durch einen kleinen batteriebetriebenen Motor ergänzt.

Aber Herr und sein Team wussten, dass nicht alle Schritte gleich sind: Einen steilen Hang hinaufzuklettern erfordert einen ganz anderen Gang — und ganz andere Körperteile — als über einen Tennisplatz zu gehen. Also entwickelten sie einen proprietären Algorithmus, der den Winkel und die Geschwindigkeit des anfänglichen Fersenschlags des Bioms maß und über die Mikroprozessoren die Geschwindigkeit und den Abstiegswinkel beim nächsten Schritt kontrollierte.

Der BiOM wog etwa fünf Pfund — mehr oder weniger das Gewicht eines menschlichen Knöchels und Fußes — und wurde mit einem einfachen Kohlefasersockel am Stumpf des Benutzers befestigt. Tests zeigten, dass das Gerät etwa 200 Prozent der Abwärtsenergie des Körpers zurückgab. Eine erstklassige Kohlefaser-Prothese brachte nur 90 Prozent zurück.

Zig Millionen Dollar an Risikokapital flossen ein. Das Gleiche gilt für E-Mails und Briefe von Amputierten, die verzweifelt als biologische Meerschweinchen dienen wollen. Dieses Sperrfeuer hat nicht aufgehört. „Es ist überwältigend“, sagte Herr und schüttelte den Kopf. „Es ist emotional anstrengend und herzzerreißend.“