Vermutlich könnten Gordon Cheng und Miguel Nicolelis kein anderes Ereignis finden, das im gleichen Maße als Triumph oder Niederlage enden könnte. Wenn am 12. Juni in der Arena von São Paulo 70 000 Menschen auf den Anpfiff des WM-Eröffnungsspiels warten, wenn an den Bildschirmen der Welt Hunderte Millionen zuschauen, soll auf dem Rasen ein querschnittsgelähmter Brasilianer aus dem Rollstuhl aufstehen, einige Schritte zu einem Fußball gehen und diesen wegkicken. Der Anstoß zur Weltmeisterschaft, einem Wettbewerb körperlicher Leistungsfähigkeit, ausgeführt von einem Behinderten, dem Forscher die Kontrolle über seine Beine wiedergeben - was für ein Symbol!
Willenskraft und Technik sollen den jungen Mann oder die junge Frau antreiben. Roboterbeine aus Stahl, Titan und Aluminium sind außen an die gelähmten Extremitäten des Patienten geschnallt; Elektroden unter dem Helm erfassen die Hirnströme, ein Computer macht daraus Befehle für die Maschine. Dieses sogenannte Exoskelett haben die Wissenschaftler aus München und North Carolina entwickelt. "Walk Again" (Wieder gehen) heißt ihr Projekt, bescheiden und großspurig zugleich.
Exoskelett des "Walk Again" Projekts
(Foto: Gordon Cheng/TUM)Gordon Cheng bekommt feuchte Augen, wenn er an das Ereignis denkt. Nach Jahren harter Arbeit, mitten in den letzten Vorbereitungen für das ehrgeizigste Projekt seiner Karriere, würde vermutlich viele die Rührung überkommen. Der Roboterforscher von der Technischen Universität München weiß, dass das Exoskelett im Prinzip funktioniert, aber in letzter Minute müssen noch wichtige Entscheidungen getroffen werden. Vieles kann schiefgehen.
Erste Versuche an Rhesusaffen
Großer Ruhm oder eine noch größere Blamage warten. Das Projekt, Gelähmten eine neue Perspektive zu bieten, könnte ungeheuren Schwung bekommen. Oder von Vorwürfen gelähmt werden, die Forschung zur Verbindung von Gehirn und Maschine sei frankensteinsche Hybris. In Worte fasst der Australier mit Wurzeln in Macau die emotionale Dimension der geplanten Demonstration in São Paulo nicht. Gefragt, warum das Team ins Scheinwerferlicht der WM-Eröffnung wollte, sagt er nur: "Wir planten, zu der Zeit fertig zu werden."
Für die Zustimmung erst der brasilianischen Regierung, dann des Fußballverbandes Fifa dürfte aber entscheidend gewesen sein, dass Chengs wichtigster Mitstreiter Brasilianer ist. Der Neuroforscher und Arzt Miguel Nicolelis von der Duke University in Durham/North Carolina kennt sowohl den früheren Präsidenten Lula da Silva als auch dessen Nachfolgerin Dilma Rousseff persönlich. Der Brasilianer aus Durham und der Australier aus München haben zudem schon erstaunliche Experimente gemacht. Ihnen war und ist die Aufgabe, einen gelähmten Mann zum Fußballer zu machen, durchaus zuzutrauen.
Ausgangspunkt des Projekts, erzählt Cheng, war ein Erfolg vor sechs Jahren. Im Jahr 2008 hatte Nicolelis' Team in Durham einem Rhesusaffen-Weibchen namens Idoya Elektroden ins Hirn gepflanzt. Als das Tier lernte, aufrecht auf einem Laufband zu gehen, konnten die Forscher die Signale aus dem Nervenzentrum auslesen, mit den in Zeitlupe gefilmten Bewegungen abgleichen und klare Befehle für die Bewegungen der Beine daraus destillieren.
An diesem Punkt kam Gordon Cheng ins Spiel, der damals in Kyoto arbeitete. Das Duke-Team schickte die Befehle aus dem Affenhirn in Echtzeit nach Japan. Dort flossen sie in einen humanoiden Roboter in Chengs Labor, der anfing, Idoyas Schritte nachzumachen. Das Affenweibchen wiederum bekam eine Liveaufnahme von den Beinen der Maschine in Japan vorgespielt und lernte so, deren Abläufe zu steuern und zu verbessern - zur Belohnung gab es Rosinen und süße Cracker.
"Der Roboter war ein Teil ihres Körperschemas"
Gordon Cheng hat das Exoskelett an der TU München mitentwickelt
(Foto: Andreas Heddergott)Dann stellte Nicolelis das Laufband ab. Idoyas Beine standen still, aber mit festem Blick auf die Roboter-Extremitäten auf dem Monitor steuerte sie die Schritte in Kyoto noch drei Minuten lang allein mit ihren Gedanken. "Der Roboter war ein Teil ihres Körperschemas geworden", sagt Cheng. "Sie hatte gelernt, ihn zu benutzen wie ihre eigenen Beine."
Es sind diese beiden Elemente - die implantierten Elektroden, aber vor allem das Gerede über erweiterte Körper -, die Chengs Forschungsfeld vielen Menschen unheimlich machen. Dabei kann jedermann mit einem einfachen Experiment erfahren, wie begierig sein Gehirn ist, den Körper zu erweitern. Man setze sich an einen Tisch und lege beide Arme vor sich. Einer wird hinter einer Blende versteckt, davor drapieren die Forscher eine Plastikhand und stellen mit deren Ärmel eine optische Verbindung zur Schulter des Probanden her, der das alles beobachtet.
Dann beginnt eine Assistentin, die sichtbare Plastikhand und die verborgene echte mit Federn zu streicheln, immer im Gleichtakt. Man plaudert einige Minuten, die Versuchsperson entspannt sich - und plötzlich geht jemand mit dem Messer auf die Plastikhand los. Fast jeder Proband zuckt in dem Moment unwillkürlich zurück, denn sein Hirn hat das künstliche Körperteil eingemeindet. Das ist seine Lösung für den kognitiven Konflikt, eine Berührung zu spüren und eine zu sehen und doch zu wissen, dass sie nicht identisch sind.
Gezielt an den Wunsch zum Gehen denken
Versuche in Sao Paolo
(Foto: bigBonsai + LenteVivaFilmes)Darum haben in Nicolelis' Labor nicht nur Affen oder Ratten gelernt, dass Roboterarme Teile ihres Körpers sind. Darum haben auch in São Paulo acht junge Brasilianer zwischen 20 und 40 Jahren, darunter zwei Frauen, angefangen, das Exoskelett als Teil ihres Körpers zu betrachten. Diese Illusion zu verfeinern, versuchen inzwischen 150 Forscher von vier US-amerikanischen Universitäten, den technischen Hochschulen in Lausanne und München sowie Neurochirurgen in São Paulo.
Angefangen hat der Lernprozess für die acht Probanden auf einem Laufband. Sie hingen an Tragegurten, während ein mechanisches Gestell ihre Beine in Schrittbewegungen führte. Gleichzeitig sollten sie bewusst an ihren Wunsch zu gehen denken. Das Forscherteam in São Paulo konnte nun mit Elektroden auf dem Kopf aufzeichnen, was sich im Gehirn der Probanden abspielte. Diese Signale waren bei allen Probanden ähnlich, sagt Cheng.
Die Forscher vom Walk-Again-Projekt haben sich dafür entschieden, die Signale aus dem Hirn per Elektro-Enzephalografie (EEG) aufzuzeichnen, also die Hirnströme auf der Haut des Schädels zu erfassen. Die Probanden tragen eine Art Mütze mit Metallkontakten. An 32 davon wird der Rhythmus der Nervenimpulse gemessen.
Viel präziser wäre die Steuerung, hätten die Forscher feine Metallnadeln in das Nervenzentrum gesteckt. So macht man es bei Affen. Noch vor zwei Jahren hat Miguel Nicolelis einen solchen Eingriff auch für den Kick in São Paulo angekündigt; sein Labor hatte kleine implantierbare Würfel entwickelt, um Signale der Neuronen in 1000 Kanälen auszulesen. Doch dann erschien den Wissenschaftlern das Risiko für ihre Probanden wohl zu groß.
Sobald das Team für seine Kandidaten die Hirnstrommuster auf dem Laufband erfasst hatte, fingen die acht an, mit einer Computersimulation zu trainieren. Die Haube mit dem EEG-Kontakten auf dem Kopf, sahen sie animierte Beine unter sich, die Schritte machten, wenn sie in der richtigen Weise daran dachten. Das bedeutete, sich bewusst auf den Wunsch zu konzentrieren, zu gehen, stehen zu bleiben oder den Fußball zu treten. Es bleibt den Patienten jedoch erspart, jede Bewegung jedes von einem Hydrauliksystem nachgestellten Robotermuskels bewusst in der richtigen Reihenfolge zu starten.
Sehr wichtig ist für Cheng, Nicolelis und ihre Kollegen dabei, dass die Probanden ständig Rückmeldung bekommen, was die Roboterbeine machen. Darum kleben die Forscher den Patienten kleine Metallzylinder mit Motoren auf den Arm, die zu vibrieren anfangen, wenn der virtuelle Fuß den Boden berührt. Das Gehirn lernt schnell, diese Signale zu interpretieren.
Werden die Testpersonen auch aus dem Rollstuhl aufstehen können?
Entscheidend dafür ist das Timing. "Die Rückmeldung muss spätestens 300 Millisekunden nach dem Kontakt mit dem Boden die Vibrationsmotoren erreichen", sagt Cheng. "Wenn es länger dauert, zum Beispiel eine halbe Sekunde, klappt das mit dem Lernen entweder nicht mehr, oder es strengt die Probanden unglaublich an."
Darum hat der Münchner Professor für das Exoskelett eine Art Roboterhaut entwickelt. Sie besteht aus sechseckigen Chips von der Größe einer Zwei-Euro-Münze. Sie registrieren, wenn sie berührt, erwärmt, angepustet oder beschleunigt werden und erkennen schon eine Annäherung. Wenn der Wissenschaftler mit einer Feder über die Konstrukte streicht, zeigen sie den Kontakt mit kleinen Leuchtdioden an. "Die nötigen Sensoren sind durch den Boom der Smartphones sehr viel billiger geworden", sagt Cheng. Die Chips werden in einen flexiblen Kunststoff verpackt und lassen sich zu Matten zusammenschalten. Sie organisieren ihr Netzwerk selbst und können an eine zentrale Steuereinheit melden, wo die Außenhaut der Maschine berührt wurde.
Im Exoskelett stecken zurzeit 160 solcher Chips. Die Hälfte dient zur Überwachung der Probanden, damit die Maschine sie nicht irgendwo zu stark drückt. Die andere Hälfte liefert über die Vibratoren Rückmeldungen an die Träger, ob sich der Fuß dem Boden nähert, aufsetzt oder beim Kick den Ball getroffen hat. 42 Kilogramm wiegt die Konstruktion zurzeit. Die Forscher haben die Masse schon von 87 Kilogramm reduziert. Dabei hilft, auch wenn es nicht viel ausmacht, dass das Team die Verkleidung der Roboterbeine weglässt. "Wir haben sehr lange an diesen Kunststoffschalen getüftelt", sagt Cheng mit leichter Selbstironie, "aber die Patienten möchten, dass man die Technik sieht."
Prototypen der Hexoskinsensoren
(Foto: Andreas Heddergott)Risikofaktoren: der Jubel, die Anspannung im Stadion
Seit einigen Monaten trainieren die Kandidaten mit den Roboterbeinen. Es dauert jedes Mal fünf bis zehn Minuten, sie langsam und vorsichtig in das Exoskelett hineinzuheben und dort festzuschnallen; "eindocken" nennt das Team die Prozedur. Im Mittel hat jeder der acht schon 120 Schritte gemacht. Auch den Ablauf, das Gehen und Kicken, wurde Ende April schon auf dem "heiligen Rasen" der Arena de São Paulo geprobt. Die Maschine gibt dem Menschen darin offenbar wirklich das Gefühl, wie von Cheng und Nicolelis erwartet, sich seiner Kontrolle unterzuordnen und ein erweiterter Teil des eigenen Körpers zu sein.
Viele Einzelheiten müssen die Wissenschaftler aber noch abstimmen, andere dürfen sie wegen einer Verschwiegenheits-vereinbarung mit der Fifa nicht verraten. Ob zum Beispiel das Aufstehen aus dem Rollstuhl, eine schwere Aufgabe, wirklich zum Programm gehören wird, ist unbekannt. Ältere Animationen zeigen es so und auch, dass der geschossene Ball dann von der brasilianischen Mannschaft für den ersten Spielzug gegen Kroatien angenommen wird. Vermutlich wird der Kick aber nicht der Auftakt zum Eröffnungsspiel, sondern ein Element der Eröffnungsfeier sein. Auch wer von den acht ausgewählt wird und wie viele Schritte er oder sie machen soll, ist ein Geheimnis. Die brasilianische Webseite der "Copa 2014" spricht von 25 Metern Laufstrecke.
Vermutlich wird es - so staunenswert die selbst gesteuerten Schritte eines Gelähmten sind - eine eher gemächliche Einlage im Samba-Spektakel werden. Die Probanden, erzählt Cheng, schaffen zum Beispiel zwölf Schritte in 32 Sekunden. Das Team neige zudem dazu, die Roboterbeine und ihre Steuerung eher sicher als dynamisch einzustellen. Bei der Vorführung in São Paulo wird der Mensch mit den Metallbeinen vermutlich nach jedem Schritt anhalten und sich stabilisieren, bevor der nächste Schritt beginnt. Die Füße werden nicht abrollen, sondern vollflächig aufsetzen, als würde der Träger des Exoskeletts langsam durch tiefen Schnee stampfen.
Noch nicht ganz entschieden haben die Forscher, wie sie ein Notfallsystem einrichten - vielleicht eine Fernbedienung in der Hand eines Teammitglieds am Rand des Spielfelds, der den Roboter bei Problemen "würdevoll", wie Cheng betont, in einen sicheren Stand schalten kann. Ursprünglich war das nicht vorgesehen, "wir glaubten nicht, dass wir das brauchten", sagt er. Aber es ist ja immerhin denkbar, dass der Patient in seinem Roboteranzug Nerven zeigt und sich nicht konzentrieren kann, angesichts des Jubels in der Arena und im Wissen um die Fernsehkameras. Immerhin, mit Stadiumlärm aus dem Lautsprecher haben sich die Patienten schon beim Training vorbereitet.
"Es ist noch so viel zu tun", seufzt Cheng kurz vor seiner Abreise nach Brasilien und wischt sich dabei mit dem Handrücken imaginären Schweiß von der Stirn. Bei dem Gedanken an konkrete Aufgaben trocknet auch der feuchte Schimmer in seinen Augen schnell weg.