Vom mechanischen Blindenhund über den Roboter zum Anziehen bis zu lenkbaren Bakterien – an der ETH Zürich tüfteln Forschende an Robotern für die Medizin.
Robodog verzaubert. Eine Frau aus der etwa zwanzigk?pfigen Besuchergruppe aus Singapur spricht den Roboterhund l?chelnd an, der Mann neben ihr beugt sich hinunter und t?tschelt ihm den Kopf. Robodog sieht putzig aus, wie er so herumt?nzelt. Doch er kann mehr als unterhalten: Er wird dafür trainiert, Menschen zu unterstützen – als Blindenführer oder als Assistent für gel?hmte Personen.
Robodog orientiert und bewegt sich autonom, kann auch Treppen steigen oder Hindernissen ausweichen, die sich rasch n?hern. Selbst bei der kurzen Begegnung mit der Singapurer Gruppe wird offensichtlich, was er kann und was die Entwicklungen von Michele Magno, Leiter des Zentrums für projektbasiertes Lernen am Departement Informationstechnologie und Elektrotechnik der ETH Zürich, und seinem Forschungsteam ausmachen. Denn ursprünglich ist der Roboter ein kommerzielles Produkt. Doch: ?Frisch ab Regal k?nnen wir ihn für unsere Zwecke nicht nutzen?, sagt der Forscher. Dann bewege sich der Roboter noch viel zu grobmotorisch und mache beim Gehen einen Heidenl?rm. ?Das macht ihn als Blindenführer unbrauchbar, denn gerade sehbehinderte Personen sind auf Umgebungsger?usche angewiesen.?
Roboter auf Mission
Dieser Text ist in der Ausgabe 25/04 des ETH-????Magazins Globe erschienen.
Smart eingesetzte Sensoren
Darum hat Magnos Team eine neue, KI-unterstützte Steuerungssoftware für den Roboterhund entwickelt. Magno spricht von ?Physical AI?, eines der neusten Schlagworte im Bereich der künstlichen Intelligenz. Ein solches System nutzt Daten von eingebauten Sensoren, die etwa Bewegungen und die r?umliche Orientierung von mechanischen Teilen registrieren. Im Fall von Robodog hilft ihm das zu lernen, wie er sich auf jedem Untergrund sicher und geschmeidig bewegen kann.
Zus?tzlich bestücken die Forschenden ihren Schützling mit Tiefenkameras, die auch Distanzen erfassen, sowie weiteren Sensoren, die die Umgebung abbilden. Laufend testen sie neue Sensoren, verknüpfen sie mit Robodog und prüfen, ob er damit besser autonom agieren kann. Zurzeit führen sie Versuche mit einem Radarsystem durch. Dieses sendet Funkwellen aus und zeichnet auf, wie diese von W?nden oder Objekten reflektiert werden. Auf diese Weise l?sst sich die Umgebung kartieren – nützliche Infos für den mechanischen Assistenten.
Doch auch ohne Ausseninformationen ist Robodog durch seine F?higkeit, schnell zu lernen, erstaunlich geschickt. So hat der Doktorand Davide Plozza, der haupts?chlich für dessen Weiterentwicklung zust?ndig ist, kürzlich einen Robotikwettbewerb gewonnen. Dabei hat Plozzas Schützling als einziger einen schwierigen Hindernisparcours zehnmal hintereinander ohne Zwischenfall absolviert – seine Konkurrenten sind alle irgendwann stecken geblieben oder gestürzt.
Noch ist Robodog nicht ganz so weit, um sehbehinderten Menschen zur Seite zu stehen, aber auf dem besten Weg dazu. Zudem l?sst sich an ihm ein zus?tzlicher Roboterarm anbringen, mit dem er k?rperlich beeintr?chtigte Menschen unterstützen kann, etwa indem er Gegenst?nde holt oder Türen ?ffnet. Gekoppelt mit einer sensorbestückten Brille, die die Blickrichtung der Tr?gerin oder des Tr?gers aufzeichnet, geht die Steuerung denkbar einfach: Ein Blick auf den Türgriff genügt, und der mechanische Helfer weiss, was er zu tun hat.
Unterstützung beim Gehen
Eine lernende Maschine zum Anziehen hat Robert Riener mit seinem Team entwickelt: ein robotisches Gerüst für die Beine namens Myosuit. Dieses wird über die Kleidung angezogen und unterstützt teilweise gel?hmte Personen beim Gehen. ?Im Gegensatz zu Exoskeletten, die haupts?chlich aus Metall bestehen, ist dieser robotische Anzug weich, leicht und bequem zu tragen?, sagt Riener, Leiter des Sensory-Motor Systems Lab an der ETH.
Der Myosuit besteht aus Funktionstextilien, die etwa um die Taille herum und über die Schultern angezogen werden, sowie kleinen Komponenten aus Kunststoff und einzelnen Motoren. Diese bewegen zwischen ihnen verlaufende Seilzüge, die beim Gehen die Arbeit der grossen K?rpersehnen und Muskeln übernehmen. Auf diese Weise werden die Hüft- und Kniegelenke entlastet und mit Kraft von aussen versorgt. Dabei passt sich der robotische Anzug an die F?higkeiten der Tragenden an, wie Riener erkl?rt: ?Eingebaute Sensoren messen laufend die Kraft, die ein Tr?ger für seine Bewegungen aufwenden kann, und der Roboter lernt, genau so stark nachzuhelfen wie n?tig.?
Auf diese Weise kann der Myosuit Patientinnen und Patienten beispielsweise bei der Rehabilitation nach einem Schlaganfall oder einer Rückenmarksverletzung unterstützen. Denn je ?fter am Stück sie ihre Reha-?bungen absolvieren k?nnen, desto rascher und besser kehren ihre motorischen Funktionen zurück. Gleichzeitig ist der robotische Anzug einfach anzuziehen und l?sst sich darum auch im Alltag tragen. So k?nnen teilweise gel?hmte Personen wieder Treppen steigen, l?nger und weiter gehen und leichter am gesellschaftlichen Leben teilnehmen.
Auch Patientinnen und Patienten mit Muskeldystrophie, Multipler Sklerose oder Herzinsuffizienz k?nnten vom Myosuit profitieren, sagt Riener. ?Menschen mit Herzinsuffizienz ersch?pfen sehr schnell. Deshalb bewegen sich viele Betroffene immer weniger und werden immer schw?cher.? Dem kann die roboterunterstützte Bewegung entgegenwirken, wie kürzlich eine gemeinsame Studie von Riener und der Charité Universit?tsklinik in Berlin gezeigt hat.
Bereits ist der Myosuit bei manchen Personen als Alltagshilfe im Einsatz. Riener erz?hlt von einem Patienten, der zuvor meist auf den Rollstuhl angewiesen war und h?chstens hundert Meter gehen konnte. Mit dem Myosuit schafft er mehrere Kilometer. Unter anderem habe er so sechs Kilometer des Zürcher Marathons absolviert, freut sich Riener.
Steuerbare Botenbakterien
Roboter für medizinische Anwendungen k?nnen auch ganz anders aussehen – winzig n?mlich und so gar nicht wie Maschinen. Wie die lenkbaren Bakterien, die Simone Schürle, Leiterin des Medical Microsystems Lab an der ETH, mit ihrer Forschungsgruppe entwickelt, beispielsweise für die Krebstherapie. ?Auf der Suche nach neuen Krebsmedikamenten scheitern klinische Studien heute meist daran, dass im K?rper der Patientinnen und Patienten zu wenig vom Wirkstoff an Tumor oder Metastasen ankommt?, sagt Schürle. Mit Bakterien liesse sich dieses Problem l?sen: Sie k?nnten im K?rper als Boten fungieren und Wirkstoffe gezielt an der richtigen Stelle anreichern – ohne dass diese im ganzen K?rper verteilt schwere Nebenwirkungen verursachen.
Damit das funktioniert, müssen sich die Bakterien erstens pr?zis steuern lassen und zweitens einen Wirkstoff transportieren und abgeben k?nnen. Für all dies haben Schürle und ihr Team L?sungen entwickelt. Sie bestücken ihre Bakterien, zum Beispiel E. coli, wie sie auch in unserem Darm zu finden sind, aussen an der Zellwand mit rund tausend magnetischen Nanopartikeln aus Eisenoxid. ?Damit werden die Mikroorganismen durch Magnetfelder steuerbar?, erkl?rt Schürle. Einmal in die Blutbahn gebracht, lassen sie sich von aussen durch eine ausgeklügelte Kombination von Elektro- und Permanentmagneten lenken. Damit die Bakterien beim Tumor ankommen, erhalten sie von der Magnetsteuerung einen Schubs, so dass sie sich drehen und durch die Blutgef?sswand ins Gewebe wandern k?nnen.
Schürle und ihr Team haben auch herausgefunden, wie sie ihren Bakterien Medikamente mitgeben k?nnen. ?ber chemische Bindungen bringen sie winzige Container mit Wirkstoff aussen an der Zellwand an. Genauer: Nanoliposome, also winzig kleine Fettb?llchen, die die Wirkstoffmoleküle transportieren. Zudem kann man den Bakterien genetisch auch direkt einen Bauplan für einen Wirkstoff einpflanzen, den sie dann in Tumorn?he produzieren und freisetzen. So lassen sich auf einen Schlag zwei Wirkstoffe bei Tumoren anreichern.
Obschon sie keine Maschinen sind, bezeichnet Schürle, die ursprünglich aus der Robotik kommt, ihre Bakterien als Roboter. ?Schliesslich sind ihre Handlungen von uns vorgegeben?, sagt sie. Mit ?hnlichen magnetgesteuerten Mikrorobotern aus einem Hydrogel erforscht sie zurzeit eine Anwendung bei Blutgerinnseln. Hydrogele bestehen aus einem Netzwerk aus Polymeren und k?nnen Wirkstoffe kontrolliert freisetzen – in diesem Fall solche, die Blutgerinnsel aufl?sen.
Versuche mit M?usen und mit menschlichem Zellgewebe haben gezeigt, dass dieser gezielte Transport von Wirkstoffen durch die Mikroroboter funktioniert. Zwar sind sie nicht ganz so charmant wie ihr gr?sserer Kollege Robodog, aber dereinst wom?glich mindestens ebenso nützlich.?