#Chip Happens-Podcast: Staffel 3, Folge 8 | Smarte Muskeln und gedankengesteuerte Prothesen
Große Probleme brauchen häufig ziemlich kleine Helfer. Der Podcast »Chip Happens – Kleine Dinge, die alles verändern« von Chipdesign Germany zeigt, wie Mikroelektronik und Chipdesign dabei helfen können, die drängenden Fragen unserer Zeit anzugehen – jederzeit nachvollziehbar und alltagsnah. Das Format richtet sich an alle, die verstehen wollen, wie Technik im Hintergrund wirkt und dennoch zentrale Weichen stellt. Kluge Köpfe aus der Branche sprechen hierfür mit Moderator Sven Oswald über ihre faszinierenden Geschichten, geben überraschende Einblicke und zeigen hautnah die vielen Möglichkeiten, die unser Fachbereich bietet. In der dritten Staffel »Mikroelektronik for Life« dreht sich alles um die Anwendung im Gesundheitsbereich. Von intelligenter Diagnostik über Wearables bis hin zu datengetriebener Medizin.
Staffel 3, Folge 8 | Smarte Muskeln und gedankengesteuerte Prothesen
In der achten Folge der aktuellen Staffel von »Chip Happens« geht es um die Zukunft moderner Prothesen sowie um neuartige Health-Ansätze wie smarte, biologisch inspirierte Muskeln. Die Episode zeigt, wie mit Hilfe mikroelektronischer Systeme bereits heute Bewegungsabläufe unterstützt werden und welche Hürden auf dem Weg zu intuitiv steuerbaren, nahezu „ »natürlichen« Prothesen bestehen. Gesprächspartner ist Michael Friedrich Russold, Bereichsleiter Forschung und Entwicklung beim Prothetikunternehmen Ottobock, der Einblicke in Entwicklung, Funktionsweise und Zukunftsperspektiven mechatronischer Prothesen gibt.
Worum geht es in der Folge?
Michael Friedrich Russold über mechatronische Prothesen |
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Situation: |
Moderne Prothesen haben sich von rein mechanischen Hilfsmitteln zu komplexen mechatronischen Systemen entwickelt. Sie kombinieren mechanische Komponenten mit Sensorik, Aktuatoren und mikroelektronischer Steuerung, um Bewegungsabläufe möglichst funktional nachzubilden. Insbesondere im Bereich der unteren Extremitäten ermöglichen mikroprozessorgesteuerte Kniegelenke bereits seit Jahrzehnten eine adaptive Unterstützung beim Gehen. |
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Problemstellung: |
Trotz technologischer Fortschritte bleibt die Interaktion zwischen Mensch und Prothese eingeschränkt. Bewegungen müssen häufig bewusst und sequenziell gesteuert werden, insbesondere bei Armprothesen mit mehreren Freiheitsgraden. Gleichzeitig fehlt ein natürliches sensorisches Feedback, sodass Anwenderinnen und Anwender visuell kontrollieren müssen, wie stark sie greifen oder welche Position die Prothese einnimmt. Die begrenzte Anzahl verfügbarer Steuersignale sowie die fehlende Integration in das menschliche Körpergefühl stellen zentrale Herausforderungen dar. |
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Lösungsansätze / Innovationspotenziale: |
Aktuelle Systeme nutzen elektrische Muskelsignale (Elektromyographie EMG), um Prothesen zu steuern. Mikroelektronik ermöglicht dabei die Verarbeitung dieser Signale und die Anpassung von Bewegungen in Echtzeit. Zukünftige Entwicklungen zielen darauf ab, mehr und qualitativ bessere Steuersignale zu erfassen, um mehrere Gelenke gleichzeitig und intuitiver steuern zu können. Parallel dazu wird an neuen Schnittstellen gearbeitet, die eine direktere Kommunikation zwischen Nervensystem und Prothese ermöglichen, etwa durch implantierte Sensorik. Durch Fortschritte in der Rechenleistung bei gleichzeitig sinkendem Energieverbrauch eröffnen sich zusätzliche Möglichkeiten für lernfähige und adaptive Systeme. |
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Weiterer Forschungs-/ Entwicklungsbedarf: |
Die größte Herausforderung liegt weiterhin in der biokompatiblen und langfristig stabilen Schnittstelle zwischen Mensch und Technik. Das Erfassen und Zurückspielen von Signalen in hoher Qualität erfordert ein tiefes Verständnis der neuronalen Kommunikation sowie Lösungen, die vom Körper akzeptiert werden. Darüber hinaus sind Fragen der Energieversorgung, Miniaturisierung und Alltagstauglichkeit entscheidend für eine breite Anwendung. |
Smarte Muskeln und biohybride Systeme |
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Situation: |
Neben klassischen mechatronischen Ansätzen wird bei Ottobock auch an biologisch inspirierten oder biohybriden Aktuatoren geforscht. Dabei kommen Muskelzellen zum Einsatz, die beispielsweise in robotischen Systemen als Antrieb dienen können. Erste Anwendungen existieren bereits im Bereich kleiner, experimenteller Robotiksysteme. |
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Problemstellung: |
Biologische Muskeln bieten zwar Vorteile wie hohe Energieeffizienz und leise Bewegungen, sind jedoch bislang nicht leistungsfähig genug für größere Anwendungen. Zudem ist ihre Integration in technische Systeme komplex und erfordert neue Herstellungs- und Steuerungskonzepte. |
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Lösungsansätze / Innovationspotenziale: |
Forschungsarbeiten zeigen, dass sich Muskelzellen durch gezielte Stimulation selbst »trainieren« lassen und dadurch deutlich an Leistungsfähigkeit gewinnen. Solche Ansätze könnten langfristig zu flexibleren und energieeffizienteren Aktuatoren führen, die mehr Leistung erbringen können. In Kombination mit gezielter Steuerung (mit Hilfe mikroelektronischer Lösungen) eröffnen sich Perspektiven für völlig neue Prothesen- und Robotiksysteme. |
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Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf: |
Für eine praktische Anwendung müssen biohybride Systeme weiter skalierbar, stabil und kontrollierbar gebaut werden können. Zudem sind Fragen der Integration in bestehende technische Plattformen sowie regulatorische und ethische Aspekte weiterhin zu klären. |
Im Zusammenspiel zeigen beide Themenfelder, wie Mikroelektronik als Schlüsseltechnologie die Weiterentwicklung medizinischer Assistenzsysteme vorantreibt. Fortschritte in der Signalverarbeitung, Energieeffizienz und Systemintegration könnten dazu beitragen, Prothesen künftig deutlich intuitiver und leistungsfähiger zu machen.
Hier geht es zur achten Folge der dritten Staffel – (Spotify)
In der nächsten Episode geht es um das Thema Stress und die Frage, wie mikroelektronische Systeme helfen können, dessen Auswirkungen besser zu verstehen und zu bewältigen.
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