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Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung hat gemeinsam mit dem Stuttgarter Startup Q.ANT den Prototypen einer Armprothese entwickelt, der wie gesunde Gliedmaßen durch neuronale Befehle gesteuert wird.
Ein Quantensensor, der Nervenimpulse berührungslos registrieren kann, eröffnet ganz neue Möglichkeiten in der Prothetik. Entwickelt wurde er von Forschern des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung gemeinsam mit dem Industriepartner Q.ANT. Herausgekommen ist mittlerweile ein Prototyp einer Armprothese, die wie gesunde Gliedmaßen auch durch neuronale Befehle gesteuert wird.
Denn wenn ein Mensch beachsichtig, sich zu bewegen, sendet sein zentrales Nervensystem schwache elektromagnetische Impulse an Motoneuronen, die wiederum Muskelfasern aktivieren. Ein einzelnes Motoneuron kann mit Tausenden von Muskelfasern verbunden sein, die als natürlicher Verstärker des neuronalen Signals wirken. Um diese elektromagnetischen Signale von den Muskeln zu erfassen und zu interpretieren, werden beispielsweise zur Steuerung einer Prothese bisher in der Regel Elektroden verwendet.
Signalqualität entscheidet
Allerdings wird die Qualität der Übersetzung von Muskelaktivierungen in Aktuatorbefehle stark von der Signalqualität beeinflusst. Messungen des elektrischen Potenzials sind weit verbreitet, haben jedoch Einschränkungen. So benötigen elektrische Felder einen galvanischen Kontakt, außerdem dämpfen Fett- und Hautgewebe elektrische Signale, weiß Dr. med. Urs Schneider, Wissenschaftlicher Direktor für Gesundheits- und Bioproduktionstechnik am Fraunhofer IPA: „Dieser Tiefpassfiltereffekt führt insbesondere bei höheren Frequenzen zur Dämpfung, verzerrt das ursprüngliche Signal und beeinflusst die Messgenauigkeit.“ Überwunden werden könnten solche Einschränkungen, indem magnetische Felder anstelle der von den Muskeln erzeugten elektrischen Potenziale aufgezeichnet werden.
Diamant macht Magnetfelder sichtbar
Passend dazu haben Forscher des Stuttgarter Start-ups Q.ANT nun einen Sensor entwickelt, der Magnetfeldänderungen erfassen kann, die eine Million Mal schwächer sind als das Erdmagnetfeld. Dazu kombiniert der Sensor photonische Technologien mit Quanteneffekten und ermöglicht so die berührungslose und robuste Messung menschlicher Biosignale unter Alltagsbedingungen. So kann der Sensor darauf trainiert werden, einzelne Bewegungssignale des menschlichen Muskels zu erkennen. Die von biologischen Systemen inspirierte Methode nutzt lichtbasierte Erfassungsmechanismen und ermöglicht eine präzisere und effizientere Datenerfassung sowie eine intuitivere Interaktion mit digitalen Systemen.
Kernstück des neuen Quantensenors ist ein winziger Diamantwürfel mit einer Seitenlänge von einem halben Millimeter. Dieser Kristall enthält, anders als ein natürlicher Diamant, der aus reinem Kohlenstoff besteht, einzelne Stickstoffatome mit dem chemisches Kürzel N sowie Leerstellen im Gitter, englisch Vacancy, abgekürzt V. Diese NV-Zentren können mit einem Laser zur Fluoreszenz angeregt werden. Durch eine zusätzliche Mikrowellenstrahlung können sie in einen Zustand gebracht werden, bei dem eine Änderung des äußeren Magnetfelds zu einer Änderung der ausgesandten Fluoreszenzstrahlung führt. Diese kann wieder präzise detektiert werden und ermöglicht so die Bestimmung kleinster Magnetfeldänderungen.
Kooperation beschleunigt Transfer in die Praxis
„Unsere Kooperation mit dem Fraunhofer IPA beschleunigt den Transfer dieser Technologie von unserem Entwicklungszentrum in die klinische Praxis“, ist Q.ANT-CEO Michael Förtscht überzeugt. Denn mit dem NV-Sensor sei man in der Lage, die schwachen neuronalen Impulse im Muskel berührungslos und mit hoher örtlicher Auflösung zu detektieren.
Und mit eben diesem Quantentechnologie-Knowhow aus Stuttgart gepaart mit der Biomechatronikexpertise vom Fraunhofer IPA entsteht derzeit ein erstes Prothesensensormodul. Einen Demonstrator dazu wird das Fraunhofer IPA im November auf der Messe Compamed in Düsseldorf zeigen
