Blindenhunde und andere Roboter

Robodog verzaubert. Eine Frau aus der etwa zwanzigköpfigen Besuchergruppe aus Singapur spricht den Roboterhund lächelnd an, der Mann neben ihr beugt sich hinunter und tätschelt ihm den Kopf. Robodog sieht putzig aus, wie er so herumtänzelt. Doch er kann mehr als unterhalten: Er wird dafür trainiert, Menschen zu unterstützen - als Blindenführer oder als Assistent für gelähmte Personen.

Robodog orientiert und bewegt sich autonom, kann auch Treppen steigen oder Hindernissen ausweichen, die sich rasch nähern. 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 können wir ihn für unsere Zwecke nicht nutzen", sagt der Forscher. Dann bewege sich der Roboter noch viel zu grobmotorisch und mache beim Gehen einen Heidenlärm. "Das macht ihn als Blindenführer unbrauchbar, denn gerade sehbehinderte Personen sind auf Umgebungsgeräusche angewiesen."

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 räumliche 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.

Zusätzlich 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 Wänden oder Objekten reflektiert werden. Auf diese Weise lässt sich die Umgebung kartieren – nützliche Infos für den mechanischen Assistenten.

Doch auch ohne Ausseninformationen ist Robodog durch seine Fähigkeit, schnell zu lernen, erstaunlich geschickt. So hat der Doktorand Davide Plozza, der hauptsächlich für dessen Weiterentwicklung zuständig 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 lässt sich an ihm ein zusätzlicher Roboterarm anbringen, mit dem er körperlich beeinträchtigte Menschen unterstützen kann, etwa indem er Gegenstände holt oder Türen öffnet. Gekoppelt mit einer sensorbestückten Brille, die die Blickrichtung der Trägerin oder des Trägers 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 gelähmte Personen beim Gehen. "Im Gegensatz zu Exoskeletten, die hauptsächlich aus Metall bestehen, ist dieser robotische Anzug weich, leicht und bequem zu tragen", sagt Riener, Leiter des Sensory-Motor Systems Lab an der ETH.

(Source: Stefan Schneller / ETH Zürich)

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 Körpersehnen 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 Fähigkeiten der Tragenden an, wie Riener erklärt: "Eingebaute Sensoren messen laufend die Kraft, die ein Träger für seine Bewegungen aufwenden kann, und der Roboter lernt, genau so stark nachzuhelfen wie nötig."

Auf diese Weise kann der Myosuit Patientinnen und Patienten beispielsweise bei der Rehabilitation nach einem Schlaganfall oder einer Rückenmarksverletzung unterstützen. Denn je öfter am Stück sie ihre Reha-Übungen absolvieren können, desto rascher und besser kehren ihre motorischen Funktionen zurück. Gleichzeitig ist der robotische Anzug einfach anzuziehen und lässt sich darum auch im Alltag tragen. So können teilweise gelähmte Personen wieder Treppen steigen, länger und weiter gehen und leichter am gesellschaftlichen Leben teilnehmen.

Auch Patientinnen und Patienten mit Muskeldystrophie, Multipler Sklerose oder Herzinsuffizienz könnten vom Myosuit profitieren, sagt Riener. "Menschen mit Herzinsuffizienz erschöpfen sehr schnell. Deshalb bewegen sich viele Betroffene immer weniger und werden immer schwächer." Dem kann die roboterunterstützte Bewegung entgegenwirken, wie kürzlich eine gemeinsame Studie von Riener und der Charité Universitätsklinik in Berlin gezeigt hat.

Bereits ist der Myosuit bei manchen Personen als Alltagshilfe im Einsatz. Riener erzählt von einem Patienten, der zuvor meist auf den Rollstuhl angewiesen war und höchstens 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 können auch ganz anders aussehen - winzig nämlich 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 Körper der Patientinnen und Patienten zu wenig vom Wirkstoff an Tumor oder Metastasen ankommt", sagt Schürle. Mit Bakterien liesse sich dieses Problem lösen: Sie könnten im Körper als Boten fungieren und Wirkstoffe gezielt an der richtigen Stelle anreichern - ohne dass diese im ganzen Körper verteilt schwere Nebenwirkungen verursachen.

Damit das funktioniert, müssen sich die Bakterien erstens präzis steuern lassen und zweitens einen Wirkstoff transportieren und abgeben können. Für all dies haben Schürle und ihr Team Lösungen 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", erklärt 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 Blutgefässwand ins Gewebe wandern können.

Schürle und ihr Team haben auch herausgefunden, wie sie ihren Bakterien Medikamente mitgeben können. Über chemische Bindungen bringen sie winzige Container mit Wirkstoff aussen an der Zellwand an. Genauer: Nanoliposome, also winzig kleine Fettbällchen, die die Wirkstoffmoleküle transportieren. Zudem kann man den Bakterien genetisch auch direkt einen Bauplan für einen Wirkstoff einpflanzen, den sie dann in Tumornähe 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 ähnlichen magnetgesteuerten Mikrorobotern aus einem Hydrogel erforscht sie zurzeit eine Anwendung bei Blutgerinnseln. Hydrogele bestehen aus einem Netzwerk aus Polymeren und können Wirkstoffe kontrolliert freisetzen - in diesem Fall solche, die Blutgerinnsel auflösen.

Versuche mit Mäusen 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 grösserer Kollege Robodog, aber dereinst womöglich mindestens ebenso nützlich. 

Dieser Beitrag ist zuerst bei "ETH News" erschienen.