Hilfe für Gelähmte 06.06.2013, 15:47 Uhr

„Gedankenpiloten“ steuern Hubschrauber

US-amerikanische Forschern haben es geschafft, einen Helikopter alleine mit der Kraft ihrer Gedanken durch einen Parcours zu lenken. Das Ziel dieser Übungen sind funktionsfähige Mensch-Maschine-Schnittstellen, um Querschnittsgelähmten die Steuerung von Prothesen oder Robotern zu ermöglichen.

Die Probanden steuern den Mini-Hubschrauber sicher durch einen Parcours von Ringen – allein mit der Kraft ihrer Gedanken.

Die Probanden steuern den Mini-Hubschrauber sicher durch einen Parcours von Ringen – allein mit der Kraft ihrer Gedanken.

Foto: Screenshot University of Minnesota

Die Hoffnung für Querschnittsgelähmte hat vier Flügel und nennt sich Quadrocopter. Dazu gesellt sich noch eine entfernt an eine Badekappe erinnernde Kopfbedeckung mit 64 Elektroden. Mit diesem spärlichen Equipment ist es Bin He von der University of Minnesota College of Science and Engineering gelungen, zu zeigen, dass es möglich ist, einen Hubschrauber allein mit der Kraft der Gedanken unfallfrei durch einen Parcours zu steuern. „Unsere Studie zeigt zum ersten Mal, dass Menschen fähig sind, fliegende Roboter nur mit ihren Gedanken zu steuern“, sagt Bin He stolz zum Gelingen seines spektakulären Experiments. „In früheren Arbeiten haben wir gezeigt, dass Menschen einen virtuellen Hubschrauber über ihre Gedanken kontrollieren können“, so He. „Ursprünglich wollte ich auch einen kleinen Hubschrauber für die Versuche in der Realität verwenden: aber ein Quadrocopter fliegt stabiler, gleichmäßiger und ungefährlicher.“

Gefilterte Hirnströme als Kommandobefehle

Die Kontrolle über den Quadrocopter gelingt den „Piloten“ mithilfe eines Elektroenzephalogramms, was in der Abkürzung EEG schon viel sympathischer klingt. Vier Hirnstrommuster filterten die Forscher aus dem Datenstrom des EEG’s heraus: Der Gedanke an die linke Hand wurde für den Steuerbefehl „links“ benutzt, der an die rechte Hand für den Steuerbefehl „rechts“.

Denn allein der Gedanke an eine Hand löst Aktivität im motorischen Kortex des Gehirns aus, die zu speziellen Hirnstrommustern führt. Ähnlich ging es für die dritte Dimension: Der Gedanke daran, die Hand zu ballen, wurde in den Steuerbefehl für „oben“ übersetzt, der Gedanke daran, die Hand zu entspannen, für „unten“. Fertig waren die Steuerbefehle.

Der Gedanke, die Faust zu ballen, steuert den Quadrocopter nach oben.

Der Gedanke, die Faust zu ballen, steuert den Quadrocopter nach oben.

Quelle: Screenshot University of Minnesota

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Zunächst trainierten die Probanden diese gedanklichen Befehle an einem Cursor auf einem Monitor. Bei diesen Testläufen lernten nicht nur die Probanden, ihre Gedanken zu schärfen. Auch das Steuerprogramm der Mensch-Maschine lernte, die Muster des EEG’s zu verstehen.

In einer Turnhalle wurde es dann ernst. Die fünf „Gedankenpiloten“ setzten sich die „Badekappe“ auf und blickten hoch konzentriert auf einen Bildschirm. Dort sahen sie das Bild einer kleinen Bordkamera vom Mini-Helikopter. So waren sie virtuell an Bord des kleinen Hubschraubers, den sie dann gezielt abheben ließen.

Bei aller Spielerei in diesem Experiment ist aber auch Wissenschaft im Spiel. Das Team um Bin He hängte Ringe in die Turnhalle auf und testete dann die Kraft der Gedanken. „Die Probanden schafften es erfolgreich, den Helikopter in drei Dimensionen akurat zu steuern“, berichten die Forscher. Das Resultat beeindruckt: In zwei Dritteln der Versuche flogen die „Gedankenpiloten“ alle Ziele korrekt an und stießen weder an die Wand der Turnhalle noch an einen der Ringe.

Mit 64 Elektroden bestückte Kappe.

Mit 64 Elektroden bestückte Kappe.

Quelle: He et al. / University of Minnesota

Innerhalb der maximalen Flugzeit von vier Minuten gelang es ihnen im Durchschnitt durch drei Ringe hindurch zu fliegen. Und zwar gezielt.

Zum Vergleich der Leistung steuerte eine Kontrollgruppe den Quadrocopter traditionell per Tastatur. Diese Gruppe schaffte es in den vier Minuten, zwölf der Ringe zu durchfliegen.

„Unsere Mensch-Maschine-Schnittstelle schaffte damit rund ein Viertel der als Goldstandard geltenden Tastatursteuerung“, betonen die Forscher.

Über dieses Experiment berichten die Wissenschaftler jetzt im Journal of Neural Engineering. Und in einem Video zeigen sie, dass ein junger Mann mit EEG-Headset auf dem Kopf den Quadrocopter steuert, der nichts anderes macht, als denken.

Alleine die erste Tasse Kaffee nach 15 Jahren getrunken

Es gibt bereits länger medizinische Bemühungen, querschnittsgelähmten Menschen mit Apparaten zur Gedankensteuerung wieder zu mehr Eigenständigkeit zu verhelfen. Aufsehen erregte vor einem Jahr eine 58-jährige querschnittsgelähmte US-Amerikanerin, die gelernt hatte, mit der Kraft ihrer Gedanken einen Roboterarm zu steuern. So konnte sie nach fast 15 Jahren erstmals wieder alleine eine Tasse Kaffee trinken.

Dafür wurde ihr eine kleine Elektrode direkt in das für die Bewegungen zuständige Hirnareal eingepflanzt, die dann die Nervensignale an das Kontrollprogramm des Roboterarmes sendete. Der Vorteil der Eigenständigkeit wurde hierbei mit dem Nachteil einer Operation am Gehirn erkauft. Zudem tragen Patienten nach diesem Eingriff einen dauerhaften Kabelanschluss am Schädel. Der jetzt gefundene Weg ist allemal schonender und vor allem – eleganter.

Per EEG-Headset gesteuerte Hubschrauber gibt es schon zu kaufen

Die Steuerung von Fluggeräten per Gedanken ist inzwischen so ausgereift, dass es erste per EEG-Headset gesteuerte Hubschrauber zu kaufen gibt. Die Firma Puzzlebox des Computerexperten Steve Castellotti mit Sitz in San Francisco verkauft über ihre Webseite einen „Puzzlebox Orbit“ genannten Helikopter für 189 US-Dollar inklusive EEG-Headset.

Der „Puzzlebox Orbit“ wird allein mit Hilfe von Konzentration und geistiger Entspannung gesteuert. Vielleicht ist dieses High-Tech-Spielzeug eine gute Möglichkeit für Querschnittsgelähmte, schon heute an den künftigen Möglichkeiten der Prothesen- oder Robotersteuerung zu feilen und ganz konzentriert und entspannt wenigstens etwas zu bewegen. Auch wenn es nur ein kleiner Spielzeughubschrauber ist.

 

Ein Beitrag von:

  • Detlef Stoller

    Detlef Stoller ist Diplom-Photoingenieur. Er ist Fachjournalist für Umweltfragen und schreibt für verschiedene Printmagazine, Online-Medien und TV-Formate.

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