Koordinationsstörung auf Knopfdruck

Das System Mensch ist höchst komplex. Um die biologischen Bewegungen besser zu verstehen, haben Forscher innerhalb der Forschungsallianz System Mensch zwischen den Universitäten Stuttgart und Tübingen einen Bioroboter gebaut.

„Stellen Sie sich den Menschen wie ein Orchester vor: Man hört nur das Gesamtergebnis, was jedoch die einzelnen Komponenten beitragen, ist nicht direkt ersichtlich. So stellt sich auch biologische Dynamik dar“, sagt Prof. Syn Schmitt vom Exzellenzcluster Simulation­Technology der Universität Stuttgart. Um diese einzelnen, hochkomplexen Bewegungen im biologischen System Mensch zu untersuchen und zu verstehen, hat er gemeinsam mit seinem Kollegen Dr. Daniel Häufle am Universitätsklinikum Tübingen und deren beiden Nachwuchsgruppen den Bioroboter ATARO gebaut.

ATARO bewegt seinen Arm wie ein echter Mensch. Er kann die Bewegung exakt nachmachen, da er seinen Arm mit Muskeln bewegt. Das heißt, die Energie für die Muskelbewegung ergibt sich aus der linearen Bewegung, der Kontraktion eines Muskels. „Inzwischen kann ATARO einen Ball schnell Richtung Decke werfen und mit seiner Hand einen Kreis abfahren“, sagt Schmitt.

Das Wissen über die Erzeugung und Kontrolle dieser Bewegungen ermöglicht Schmitt und seinem Team unter anderem, Krankheiten, die das zentrale Nervensystem betreffen, zu erforschen. Sie haben sich auf die Untersuchung der zerebellären Ataxie spezialisiert, einer Störung in der Bewegungskoordination, die durch Durchblutungsstörungen im Kleinhirn ausgelöst wird. Betroffene Menschen können nicht mehr gezielt nach einem Glas greifen und werfen es um. „Wir wollen ein mathematisches, theoretisches Modell des Systems Mensch erstellen, das Ataxie erklären kann.“

An ATARO ist es ihnen bereits gelungen, gezielt Ataxie einzuschalten. Statt direkt auf bestimmte  Markierungen zu zeigen, bewegt sich der Roboterfinger unkoordiniert und schießt über das Ziel hinaus. „Die Untersuchung dieser Krankheit ist für das Gesamtverständnis von Neurowissenschaften wichtig.“ Das gewonnene Wissen aus dem Projekt könnte zukünftig auch in der Rehabilitationsrobotik oder der Pflegerobotik angewendet werden. Dort sollen Roboter Muskelbewegungen unterstützen oder kontrollieren.

Das Projekt ATARO zur neuromuskulären Bewegungskontrolle ist ein Teil der Forschungsallianz in Baden­-Württemberg zwischen den Universitäten Stuttgart und Tübingen. Dabei sollen Modelle des hochkomplexen, biologischen Systems Mensch entwickelt werden. Ziel dieser Modelle ist es, eine erfolgreiche Mensch­-Maschine­-Interaktion zu ermöglichen sowie Diagnostik und Therapie krankheitsbedingter Störungen grundlegend zu verbessern. Die Forschungsallianz gehört zur „Cyber­Valley“­Initiative und nutzt die in der Region vorhandene Expertise in den Bereichen Maschinenbau, Automobilbau, Robotik und Medizintechnik. Mit beteiligt sind auch die Max­-Planck­-Institute für biologische Kybernetik und für Intelligente Systeme sowie das Fraunhofer-­Institut für Produktionstechnik und Automatisierung.

Bettina Künzler