Schon seit einigen Jahren unterstützen Robotersysteme Ärzte bei schwierigen Operationen, vor allem bei minimalinvasiven Eingriffen. Der Chirurg sitzt dabei vor einem Monitor, auf den ein dreidimensionales Bild des zu operierenden Organs übertragen wird. Die Roboterarme steuert der Operateur mit zwei joystickartigen Hebeln, die sensibel auf jeden Befehl reagieren. Ein wesentlicher Vorteil der Technik: Ein Zittern der Hände gleicht der Roboter automatisch aus.
Was der Arzt jedoch nicht mehr selbst spürt, ist die tatsächliche Kraft, mit der der Roboter zu Werke geht: wie stark etwa mit einem OP-Werkzeug auf Knochen oder Gewebe gedrückt wird. Fühlen, was quasi der Roboter fühlt – Experten sprechen auch von taktilem oder haptischem Feedback. An entsprechenden medizintechnischen Systemen arbeitet ein Wissenschaftlerteam der belgischen Universität Leuven, dem auch der Produktionstechniker Emmanel Vander Poorten angehört:
"Taktiles Feedback bedeutet: Wir können gewissermaßen das, was ein Roboter, eine Maschine stellvertretend für uns berührt, haptisch erfassen. Durch bestimmte Sensoren und Aktoren bekommen wir dabei eine taktile Rückmeldung zum Beispiel in unseren Joystick. Die Grundidee dabei ist: Der Mensch ist einfach gewöhnt daran, Dinge zu berühren und dadurch zu verstehen."
Die belgischen Forscher haben hierfür einen Operationsroboter mit Piezokeramiken ausgestattet. Diese intelligenten Werkstoffe arbeiten zunächst wie ein Sensor, der alle Bewegungen und Kräfte am Operationsfeld registriert und diese Daten quasi in Echtzeit an den OP-Joystick weiterleitet. Auch im Joystick sind Piezo-Werkstoffe verbaut, die jetzt allerdings die Rolle eines Aktors übernehmen. Das heißt, sie verändern entsprechend den Sensorsignalen ihre Form. Das Wirkprinzip lasse sich durchaus mit einem Beispiel aus der Natur vergleichen, sagt Uwe Keitel vom Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS:
"Wenn man es mit einem Muskel vergleicht: Der Muskel bekommt ja auch einen Nervenimpuls, die Piezokeramik bekommt ein Spannungssignal und dehnt sich dann aus. Das ist erstmal gleich. Der Unterschied liegt im Weg, also der Muskel kann viel Weg machen, einen Zentimeter oder so. Der Piezo kann nur ganz minimale Bewegungen, unterhalb eines Millimeters. Ein anderer Unterschied ist die Kraft: Der Piezo kann das Zehn- oder 20-Fache oder viel mehr. Würde man einen Piezo-Aktor bauen, der genauso dick ist wie ein Muskel, dann könnte man damit einen ganzen Eisenbahnwaggon anheben."
Im OP jedoch steht die exakte Kraftübertragung im Fokus. Die im Joystick verbauten Piezowerkstoffe lassen den Chirurgen dabei eins zu eins fühlen, mit welcher Kraft der Roboter zum Beispiel ein Skalpell für einen Schnitt ansetzt. Nicht nur im OP-Saal, auch für elektrische Rollstühle ist die Technik interessant, erklärt Emmanuel Vander Poorten:
"Auch diese Rollstühle werden ja per Joystick gelenkt. Taktiles Feedback nun ermöglicht es nun, dass die Umgebung erfasst und interpretiert wird, obwohl der Mensch im Rollstuhl keinen direkten Kontakt mit dieser Umgebung hat. Dabei wird das Umfeld mit Laser-Technik gescannt und als Information direkt in den Joystick gesendet. Fährt der Rollstuhl etwa auf ein Hindernis zu, wird der Joystick sehr hart und unbeweglich. Der Rollstuhlfahrer weiß so, dass die Gefahr einer Kollision mit diesem Hindernis besteht."
Das ist wichtig in unübersichtlichem Gelände oder bei schlechter Sicht etwa. Auch außerhalb medizintechnischer Anwendungen sieht Vander Poorten ein großes Potenzial für haptische Feedback-Systeme. Denkbar sei etwa ein Smartphone-Touchscreen mit Tastaturnoppen, die bei der Eingabe automatisch ausfahren und danach wieder von selbst verschwinden – oder "intelligente" Kinositze, die den Zuschauer das Gesehene auch fühlen lassen.
Was der Arzt jedoch nicht mehr selbst spürt, ist die tatsächliche Kraft, mit der der Roboter zu Werke geht: wie stark etwa mit einem OP-Werkzeug auf Knochen oder Gewebe gedrückt wird. Fühlen, was quasi der Roboter fühlt – Experten sprechen auch von taktilem oder haptischem Feedback. An entsprechenden medizintechnischen Systemen arbeitet ein Wissenschaftlerteam der belgischen Universität Leuven, dem auch der Produktionstechniker Emmanel Vander Poorten angehört:
"Taktiles Feedback bedeutet: Wir können gewissermaßen das, was ein Roboter, eine Maschine stellvertretend für uns berührt, haptisch erfassen. Durch bestimmte Sensoren und Aktoren bekommen wir dabei eine taktile Rückmeldung zum Beispiel in unseren Joystick. Die Grundidee dabei ist: Der Mensch ist einfach gewöhnt daran, Dinge zu berühren und dadurch zu verstehen."
Die belgischen Forscher haben hierfür einen Operationsroboter mit Piezokeramiken ausgestattet. Diese intelligenten Werkstoffe arbeiten zunächst wie ein Sensor, der alle Bewegungen und Kräfte am Operationsfeld registriert und diese Daten quasi in Echtzeit an den OP-Joystick weiterleitet. Auch im Joystick sind Piezo-Werkstoffe verbaut, die jetzt allerdings die Rolle eines Aktors übernehmen. Das heißt, sie verändern entsprechend den Sensorsignalen ihre Form. Das Wirkprinzip lasse sich durchaus mit einem Beispiel aus der Natur vergleichen, sagt Uwe Keitel vom Dresdner Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS:
"Wenn man es mit einem Muskel vergleicht: Der Muskel bekommt ja auch einen Nervenimpuls, die Piezokeramik bekommt ein Spannungssignal und dehnt sich dann aus. Das ist erstmal gleich. Der Unterschied liegt im Weg, also der Muskel kann viel Weg machen, einen Zentimeter oder so. Der Piezo kann nur ganz minimale Bewegungen, unterhalb eines Millimeters. Ein anderer Unterschied ist die Kraft: Der Piezo kann das Zehn- oder 20-Fache oder viel mehr. Würde man einen Piezo-Aktor bauen, der genauso dick ist wie ein Muskel, dann könnte man damit einen ganzen Eisenbahnwaggon anheben."
Im OP jedoch steht die exakte Kraftübertragung im Fokus. Die im Joystick verbauten Piezowerkstoffe lassen den Chirurgen dabei eins zu eins fühlen, mit welcher Kraft der Roboter zum Beispiel ein Skalpell für einen Schnitt ansetzt. Nicht nur im OP-Saal, auch für elektrische Rollstühle ist die Technik interessant, erklärt Emmanuel Vander Poorten:
"Auch diese Rollstühle werden ja per Joystick gelenkt. Taktiles Feedback nun ermöglicht es nun, dass die Umgebung erfasst und interpretiert wird, obwohl der Mensch im Rollstuhl keinen direkten Kontakt mit dieser Umgebung hat. Dabei wird das Umfeld mit Laser-Technik gescannt und als Information direkt in den Joystick gesendet. Fährt der Rollstuhl etwa auf ein Hindernis zu, wird der Joystick sehr hart und unbeweglich. Der Rollstuhlfahrer weiß so, dass die Gefahr einer Kollision mit diesem Hindernis besteht."
Das ist wichtig in unübersichtlichem Gelände oder bei schlechter Sicht etwa. Auch außerhalb medizintechnischer Anwendungen sieht Vander Poorten ein großes Potenzial für haptische Feedback-Systeme. Denkbar sei etwa ein Smartphone-Touchscreen mit Tastaturnoppen, die bei der Eingabe automatisch ausfahren und danach wieder von selbst verschwinden – oder "intelligente" Kinositze, die den Zuschauer das Gesehene auch fühlen lassen.
