InnovationsKraft

Prothesen aus der Zukunft

Dank bionischer Technik können Prothesen heutzutage viele komplexe Bewegungsfunktionen für uns übernehmen.

Modernste Prothesen ermöglichen Menschen einen nahezu barrierefreien Alltag dank modernster Technik.

Die Orthopädie von heute macht aus Science-Fiction Wirklichkeit: Moderne Prothesen mit ausgefeilter Technologie ermöglichen Erstaunliches – von einfachen Handgriffen bis hin zu sportlichen Höchstleistungen. Für Menschen mit körperlichen Nachteilen ersetzen die komplexen Apparate sogar schon vollständige Bewegungsfunktionen. Forschung und Innovation sei Dank.

Science-Fiction-Fans geht bei dieser Vorstellung das Herz auf: Roboter, deren Körperteile aussehen und funktionieren wie bei „normalen“ Menschen – oder Menschen, die ihre Gliedmaßen durch technische Gimmicks in fantastische Werkzeuge verwandeln. Hollywood zaubert solche Bilder mit Computereffekten spielerisch auf die Leinwand. Aber wie nah sind Kinofantasien wie Alex Murphys Hightechkörper in RoboCop oder Luke Skywalkers funktionale Maschinenhand an der Realität? Die Antwort: viel näher, als wir denken. Denn die Forschung und Produktion künstlicher Körperteile hat in den letzten Jahrzehnten riesige Fortschritte gemacht. Sie reicht schon jetzt von einfachen „kosmetischen“ Prothesen zu steuerbaren Multifunktionswerkzeugen. Das ist nicht nur für Menschen mit körperlichen Defiziten ein Segen, sondern geht noch viel weiter. Die Bionik liefert verblüffende Lösungsansätze, wie der Traum von einer barrierefreien Welt Wirklichkeit werden könnte.

Die „Maschine“ Mensch – ein biologisches Wunder

Wenn wir unsere täglichen Aufgaben erledigen, denken wir kaum darüber nach, dass unser Körper eigentlich ein Meisterwerk der Natur ist. Allein unser Bewegungsapparat hat sich in Millionen Jahren der Evolution zum motorischen Wunder entwickelt. Der aufrechte Gang war dabei nur der Anfang: Etwa 400 Skelettmuskeln sorgen dafür, dass wir unsere Gliedmaßen schnell, kraftvoll und mit tänzerischer Leichtigkeit bewegen können. Gelenke, Sehnen und Knorpel sind von Geburt an passgenau darauf abgestimmt, uns zu schützen, abzufedern und bis ins hohe Alter beweglich zu halten. Menschen, die nach Unfall, Krankheit oder von Geburt an einzelne Gliedmaßen ersetzen müssen, greifen hier auf die Hilfe orthopädischer Prothesen zurück. Diese künstlichen Ersatzteile sind darauf ausgelegt, dort zu entlasten, wo im Alltag natürliche Stabilität und Beweglichkeit fehlen: beim Stehen, Sitzen, Laufen, Greifen oder Heben.

Der Begriff „Prothese“ – eine Wortkombination aus dem Altgriechischen „pro“ („vor, anstatt“) und „thesis“ („setzen, stellen“) – bezeichnet ein Ersatzobjekt, das dem echten vorgesetzt ist oder stattdessen verwendet wird. Theoretisch müsste ein ideales künstliches Bein laufen wie ein echtes Bein, das Knochen, Muskeln, Sehnen und Gelenke zur Verfügung hat – also wie ein exakter „Doppelgänger“. Doch ist so etwas überhaupt möglich? So gut wie. Denn moderne Prothesen sind hochkomplexe Apparate, die durch Bauart, Technik und Design natürliche Körperfunktionen mittlerweile erstaunlich exakt nachahmen. Zum adäquaten Ausgleich für fehlende Extremitäten und verlorene Mobilität wurden sie jedoch erst im Laufe vieler Jahrhunderte. Kein Wunder – waren die ersten Prothesen im antiken Ägypten, China und dem Römischen Reich oft nicht mehr als einfache Hilfskonstruktionen aus Holz oder Metall. Als erstes Beispiel einer ausgefeilten Prothese gilt die „Eiserne Hand“ des Ritters Götz von Berlichingen im 16. Jahrhundert; ein passiver Metallapparat, der jahrzehntelang weiterentwickelt wurde, bis sein Besitzer damit per Knopfdruck einzelne Fingergruppen öffnen, schließen und fixieren konnte. Im Zuge des Ersten Weltkriegs (1914 – 1918) wurde es leider erstmals notwendig, Prothesen auch massenhaft zu produzieren. 1915 entwickelte der Chirurg Ferdinand Sauerbruch schließlich die erste muskelsteuerbare Handprothese – den „Sauerbruch-Arm“. Er verband die Muskeln im Armstumpf durch einen Hauttunnel mit den Fingergelenken einer künstlichen Hand. Mithilfe eines Bolzens konnten diese mechanisch, wie ein Seilzug, zu einem Griff angehoben werden. Was Sauerbruch nicht wusste: Mit seiner Erfindung hatte er den Grundstein für die futuristischen Prothesen des 21. Jahrhunderts gelegt.

Prothesen und Bionik: Wie man Hightech aus Natur baut

Wer bei Prothesen aber heute noch an Holzstümpfe oder Eisenhaken denkt, täuscht sich gewaltig. Im Jahr 2017 sind sie längst Hightechapparate, die Funktionen des menschlichen Körpers durch komplexe Technik nachahmen. Tatsächlich wirkt es wie im Film: Mithilfe flexibler Materialien wie Silikon, präziser Mechanik, leistungsfähigen Mikroprozessoren und vielem mehr lassen sich Prothesen heute nahezu optimal an individuelle Bedürfnisse anpassen. Den wohl größten Anteil an dieser funktionalen Raffinesse hat die Bionik. Sie vereint medizinische Forschung, Ingenieurskunst und Design zu einem gemeinsamen Ziel: Biologie und Technik miteinander zu verschmelzen. Beispiele aus der Natur, die perfekt funktionieren, werden dabei auf Alltagstechnologie übertragen – der Klettverschluss ist so ein Beispiel, bei dem sich die Ingenieure von Kletten inspirieren ließen. Im Falle der Prothesen dient der menschliche Bewegungsapparat der Verbesserung künstlicher Mobilität. Schon seit einigen Jahren gibt es unterschiedliche Modelle, die gezielt auf bestimmte Körperteile, Bewegungsabläufe und Tätigkeiten zugeschnitten sind. Darunter anatomisch korrekte („kosmetische“) Prothesen zum Ausgehen, Alltagsprothesen für normale Handgriffe oder auch hochleistungsfähige Sportprothesen für den Wettkampf. Die Auswahl an technischen „Ersatzteilen“ ist heutzutage immens, egal ob bei künstlichen Händen, Beinen, Füßen oder Hüftgelenken.

Prothesen – zum Beispiel Hüftgelenke – lassen sich heutzutage präzise an die Funktionsweise des menschlichen Körpers anpassen.

Modernste Prothesen ermöglichen Menschen einen nahezu barrierefreien Alltag dank modernster Technik.

Aus Science-Fiction wird Fakt

Mittlerweile haben sich große Firmen der weltweiten Produktion komplexer Prothesen verschrieben. Ihr Ziel: Menschen ein Leben ohne Einschränkungen zu ermöglichen. So auch der isländische Prothesenhersteller Össur, dessen Firmengründer Össur Kristínsson die allererste Silikonverbindung zwischen einer Prothese und dem menschlichen Körper entwickelte. Mit seiner aus Carbon hergestellten Fußprothese „Cheetah“ (Englisch für Gepard) hat die Firma aus Reykjavík bereits berühmten Paralympic-Sportlern zu Höchstleistungen verholfen. Zwar sieht sie aus wie ein seltsamer rundlich gebogener Wasserski – in ihr steckt jedoch jahrelange, präzise Materialoptimierung für verschiedene Disziplinen wie Lang- oder Kurzstreckenlauf.

Die niedersächsische Firma Otto Bock treibt gemeinsam mit Össur die Entwicklung impulsgesteuerter Prothesen voran, die sich nahtlos in organische Bewegungen integrieren. Firmengründer Otto Bock leistete schon 1919 Pionierarbeit, indem er erstmals Prothesen für Kriegsveteranen maschinell herstellte. In knapp 100 Jahren Firmengeschichte wurde daraus ein internationales Unternehmen, das die Prothetik revolutionierte: Schon in den 60er/70er Jahren entwickelte Otto Bock Armprothesen, die durch Elektroden auf der Haut Muskelspannungen messen und über künstliche Gelenke in Bewegungen umwandeln konnten. Ein von der Firma patentiertes Modularsystem für Beinprothesen setzte neue Standards, indem es künstliche Füße durch austauschbare Verbindungselemente mit Kniegelenken verband. 1997 entwickelte die Firma Otto Bock schließlich die weltweit erste durch Mikroprozessoren gesteuerte Beinprothese und zehn Jahre später den Prototyp einer gedankengesteuerten Armprothese. Die Prothesen sind mittlerweile erstaunlich robust, stark und schnell. Über automatisierte Bewegungsfunktionen können ihre Träger Aktivitäten wie Gemüseschneiden oder das Heben einer Kaffeetasse steuern. Mithilfe von „Targeted Muscle Reinnervation“ (TMR) lassen sich sogar verbliebene Nervenenden in den Brustmuskel verpflanzen und mit einer bionischen Armprothese verbinden. Diese übersetzt die chemischen Signale des Gehirns in gesteuerte Bewegungen. Entsprechendes Praxistraining vorausgesetzt, werden so aus Gedanken Handlungen und aus Science-Fiction Wirklichkeit.

Durch komplexe Technik machen Prothesen impulsgesteuerte Armbewegungen wieder möglich.  (c): Ottobock

Durch komplexe Technik machen Prothesen impulsgesteuerte Armbewegungen wieder möglich.
Foto: Ottobock

Durch Bionik kann jeder zum „Cyborg“ werden

Der US-Amerikaner Hugh Herr vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) setzt sich wie kein Zweiter für die Weiterentwicklung bionischer Prothesen ein. Seit den 80er Jahren trägt der Direktor der „Biomechatronics Group“ selbst Beinprothesen und widmet sich einem ehrgeizigen Ziel: Behinderungen durch Technik gänzlich zu „eliminieren“ und Menschen noch leistungsfähiger zu machen. Was die von ihm mitentwickelten künstlichen Gliedmaßen mittlerweile leisten können, ist verblüffend: Mechanische Prothesen werden direkt mit Nervenzellen vernetzt, während dynamische Biomechatronik ganze Muskel- und Gelenkbewegungen übernimmt. Hieraus entsteht ein wundersames, fast nahtloses Zusammenspiel von Maschine und Mensch, das Menschen mit Lähmungen oder Einschränkungen wieder natürliche Bewegung erlaubt. Schon heute können damit Menschen trotz Handicap aktiv ihren erlernten Beruf ausüben – ob als Handwerker, Soldat, Model oder Spitzensportler.

Bionische Hightechprothesen bieten der menschlichen Anatomie Ersatzteile, die zum Teil sogar leistungsfähiger sind als ihre organischen Vorbilder. In den USA haben Nutzer bionischer Prothesen beschrieben, dass sie mit ihren neuen Beinen kaum noch Unterschiede in ihren Bewegungsmöglichkeiten erkennen. Ihr gesundes Bein muss regelrecht versuchen, mit dem hoch entwickelten bionischen Schritt zu halten. Der Doppelgänger ist hierbei stabiler als das Original und wird nicht müde, außer seine Batterie ist leer. In Hugh Herrs eigenen Beinprothesen stecken ganze 6 Mikroprozessoren, 24 Sensoren sowie spezielle, an die Haut angepasste synthetische Gewebe und muskelähnliche Antriebselemente, die ihm zu einer fließenden, natürlichen Gehbewegung verhelfen – fast so, als wäre der Film „Terminator“ Wirklichkeit geworden. Mit diesen und künftigen Erweiterungen unserer eigenen Körpermaschinerie scheint eine barrierefreie Welt schon ziemlich nah.

Moderne Prothesen wie der Lauffuß ermöglichen sogar Sportlern Höchstleistungen. (c): Ottobock

Moderne Prothesen wie der Lauffuß ermöglichen sogar Sportlern Höchstleistungen.
Foto: Ottobock

Es gibt noch viel zu tun

Ein großer Zukunftstraum der Prothetik bleibt jedoch bislang unerfüllt: die funktionsgleiche Nachbildung der menschlichen Hand. Das wohl komplexeste Werkzeug der Natur besitzt sechs Griffarten, über 20 Bewegungsvarianten und etwa 17.000 körpereigene Sensoren, die Faktoren wie beispielsweise Position, Bewegung, Kraft und Schmerz ganz automatisch erfassen. Eine solche Konstruktion im „handlichen“ Format eins zu eins nachzubauen und nahtlos mit unserem Denkapparat zu verknüpfen, ist trotz Technik und Wissenschaft so noch nicht möglich. Aber es wird bereits daran geforscht. Mithilfe implantierter Elektroden soll dabei ein Austausch von sensorischem Feedback zwischen Hirn und bionischer Prothese entstehen: die erste Roboterhand mit „echten“ Gefühlen. Die Universität Newcastle forscht aktuell an solch einer „Intuitiven Hand“, die Gegenstände automatisch erkennt und Greiffunktionen direkt anpasst.

Was heutige Prothesen leisten können, ist jetzt schon unglaublich. Sie passen sich immer geschmeidiger dem Körper an und führen Funktionen aus, die ihnen unser Gehirn allein durch Nervenimpulse vermittelt. Der Weg zum Körper ohne Defizite ist also zumindest geebnet. Auch wenn Hightechprothesen noch kostspielig sind und nicht alle physischen Körperfunktionen ersetzen können – die Forschung und engagierte Unternehmen weltweit lassen hoffnungsvoll in eine bionische Zukunft blicken. Vielleicht kann sich sogar irgendwann jeder selbst aussuchen, ob er die Power von Prothesen nutzt, um mit seinem Körper etwas Großartiges zu vollbringen. Die Forschung wird uns in Zukunft sicherlich noch so einige „Wunder“ präsentieren.

Übrigens …

Nicht nur die Prothesenforschung erleichtert Menschen ihren Alltag durch moderne Technik. Auch unser Zuhause wird immer futuristischer: durch „intelligente Haustechnik“. Unter „ Das Zuhause denkt mit “ erfahren Sie, wie das Smart Home Ihren Alltag sicherer und komfortabler macht.