USA

Eine Prothese namens Skywalker

Der Forscher Gil Weinberg hat eine bionische Hand entwickelt, mit der Amputierte Klavier spielen können – und vieles mehr

24.05.2018 – von Katja RidderbuschKatja Ridderbusch

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Im Labor von Gil Weinberg rückt die Zukunft eine Galaxie näher. Weinberg ist Musiker, Erfinder, Compu­ter­wissenschaftler und Gründer des Zentrums für Musiktechnologie am re­nommierten Georgia Tech, der technischen Hochschule von Atlanta im US-Bundesstaat Georgia.

Er hat einen Ultraschall-Sensor entwickelt, mit dessen Hilfe Menschen mit Arm- und Handprothesen ihre Finger einzeln und unabhängig voneinander bewegen können. Das ist bislang selbst bei den modernsten Prothesen auf dem Markt nur bedingt möglich.

timing Weinberg ist nicht nur innovativ, er hat auch Humor – und einen sicheren Sinn für gutes Timing. So gab er seiner Erfindung den Namen »Skywalker« – zu Ehren des Helden der Star Wars-Saga. Besagter Luke Skywalker bekommt eine voll funktionsfähige bionische Hand, nachdem er seine eigene in einem Lichtschwert-Duell gegen Darth Vader, den Fürsten der Finsternis, verloren hat. Weinberg präsentierte seinen Sensor passend zum Start des neuen Star Wars-Films. Reiner Zufall, sagt er.

Kein Zufall, sondern das Ergebnis intensiver Forschung sei hingegen, »dass Luke Skywalkers bionische Hand heute sehr viel näher an der Realität ist als noch vor 40 Jahren«.

Der erste Amputierte, der Weinbergs Er­findung testen konnte, war kein Jedi-Ritter, sondern ein Musiker aus McDonough, einer Kleinstadt südöstlich von Atlanta. Jason Barnes (28) hatte bei einem Arbeitsunfall vor sechs Jahren einen Stromschlag erlitten und dabei seinen rechten Unterarm verloren. »Wahnsinn, dass ich jetzt wieder alle meine Finger bewegen kann«, sagt Barnes, nachdem er zum ersten Mal seit dem Unfall wieder Klavier spielt – und zwar die »Ode an die Freude« aus Beethovens 9. Symphonie. »Ich hätte nie gedacht, dass ich einmal dabei helfen würde, die Zukunft zu entwickeln.«

IT-Nerds Gil Weinberg sitzt in seinem karg möblierten Büro auf dem Campus von Georgia Tech, lehnt sich lässig in seinem Schreibtischstuhl zurück und lächelt. »Wenn man Musik spielen kann, kann man auch sehr vieles andere tun«, sagt er. Sich waschen und anziehen zum Beispiel. Kochen. Essen. Tippen.
Weinberg ist 50, jungenhaft, mit drahtigem, grauem Haar. Er trägt schwarze Jeans und einen schwarzen Pullover, die Uniform der IT-Nerds. Er spricht leise und in lakonischem Tonfall, dabei selbstsicher und mit großer Routine. Weinberg ist Israeli, mittlerweile auch mit amerikanischem Pass.

Er wurde in Jerusalem geboren, begann mit sieben Jahren, Klavier zu spielen, und war auf dem besten Weg, Konzertpianist zu werden. Seine Lehrer waren streng, lehrten Theorie und Disziplin, perfekte Haltung und Technik. Als Weinberg als Teenager erste eigene Stücke komponierte, wiesen sie seine Versuche zurück: Vor der kreativen Kür komme das Pflichtprogramm.

Der Schüler rebellierte. »Musik ist etwas, das man immer wieder neu erfinden, mit dem man spielen und improvisieren kann«, meint er. Nach dem Militärdienst schrieb er sich für ein interdisziplinäres Studium der Musikwissenschaft an der Universität von Tel Aviv ein. Während dieser Zeit begann er, sich für Computertechnologie und Künstliche Intelligenz zu interessieren.

MIT Media Lab Nach seinem Examen bewarb er sich für das legendäre MIT Media Lab, ein Programm der amerikanischen Elitehochschule Massachusetts Institute of Technology (MIT), das Technologie, Kommunikation und Kunst kombiniert. Er wurde angenommen, machte seinen Master und seinen PhD. »Ich wollte Musik und Computerwissenschaft kombinieren«, sagt er, »eine Software entwickeln, die Musik so wahrnimmt wie wir Menschen: mit Melodien, Spannung und Entspannung, mit all den wichtigen Bausteinen der Musik eben.«

Weinberg hatte seine Dissertation kaum abgeschlossen, als er ein Angebot von Georgia Tech bekam. Er sollte einen neuen Studiengang »Musiktechnologie« aufbauen. »Das passte perfekt«, sagt Weinberg.

Seit 2003 lebt er in Atlanta, ist verheiratet mit einer Israelin und hat drei Söhne, acht, 16 und 20 Jahre alt, außerdem viele Nichten und Neffen in Israel und den USA. Sie alle sind Star Wars-Fans und deshalb auch an Weinbergs neuester Erfindung besonders interessiert.

armstumpf Die modernsten Arm- und Handprothesen auf dem Markt sind my­o­­elektrische Prothesen, auch Funktionsprothesen genannt. Sie werden von Elektroden gesteuert, die auf der Innenseite des verbliebenen Oberarmstumpfes liegen, Muskelbewegungen erkennen und in Steuersignale umwandeln. Je nachdem, ob der Patient die Muskeln anspannt oder entspannt, kann er die Prothese zwischen vorprogrammierten Griff- und Wendemustern bewegen. »Das Problem ist, dass diese Elektroden nicht präzise genug sind, um die Bewegung einzelner Finger zu steuern«, sagt Weinberg.

Er und sein Team fanden heraus, dass sie, wenn sie die Muskelbewegungen mit einer Ultraschallsonde beobachten, genau verfolgen können, wann sich welche Muskeln wie und wohin bewegen. Ein Computerprogramm hilft den Forschern dabei, den Zusammenhang zwischen den Muskel- und Fingerbewegungen einzulesen und in Impulse für die individuelle und differenzierte Bewegung der einzelnen Finger zu übersetzen. Weinberg ist sicher: »Das ist der nächste Schritt in der Entwicklung von Hightech-Prothesen.«

Der Musiker und Forscher hat schon immer unkonventionell gedacht. Bereits als Doktorand am MIT entwickelte er digitale Musikinstrumente für Einsteiger, wie die handtellergroßen Beatbugs oder Squeezables, computergesteuerte, weiche Gel-Bälle, mit denen mehrere Menschen, vor allem Kinder, gemeinsam Melodien entwickeln können. 2005, da war er bereits am Georgia Tech, entwickelte Weinberg den ersten trommelnden Improvisationsroboter, Haile, der menschlichen Musikern zuhört und, basierend auf Algorithmen, zeitgleich und im passenden Rhythmus die Trommel schlägt. Es folgten Shimon, ein Marimbafon spielender, silbrig-weißer Musikroboter, und Shimi, ein kleiner Musik-Droid, der sich von einer Smartphone-App steuern lässt, Musik auswählt und Kopf und Fuß dazu im Takt bewegt.

Weinberg hat mehrere Start-ups gegründet, um seine Erfindungen zu vermarkten. Seine bunt gemischte Roboterband mit dem Namen Shimon Robot & Friends hat längst globalen Kultstatus. Ge­meinsam mit seinen musizierenden Robotern gibt Weinberg regelmäßig Konzerte, in Washington, New York und San Diego, in Shanghai, Istanbul, Brisbane und Berlin.

Roboter Weinberg lernte Jason Barnes, den einarmigen Musiker, einige Monate nach dessen Unfall im Jahr 2012 kennen. Barnes, von Hause aus Schlagzeuger, hatte sich selbst eine einfache Prothese gebastelt. Dann sah er ein Foto von Shimon, dem Marimbafon spielenden Roboter. Zu dem Zeitpunkt plante Weinberg gerade seine nächsten Projekte. »Ich dachte, wie toll es wäre, die Robotertechnologie in den menschlichen Körper einzubetten«, sagt er. Wenige Tage später traf er Barnes, »genau zur richtigen Zeit«.

Der junge Musiker und Weinberg wurden ein eingespieltes und erfolgreiches Team. Erstes gemeinsames Projekt: Weinberg entwickelte eine Drummer-Prothese für Barnes, einen künstlichen Arm mit zwei Trommelstöcken. Der eine Stock hat einen kleinen Motor mit Elektroden, ist also eine Art myoelektrische Prothese. Der andere wird ferngesteuert von einem Computerprogramm, das passend zur Musik im Raum improvisiert.

Der neue Ultraschallsensor, mit dem Barnes seine Finger einzeln bewegen kann, ist bislang nur ein Prototyp und kommt ausschließlich im Labor zum Einsatz. »Aber ich könnte mir schon vorstellen, die Prothese demnächst auch in der wirklichen Welt zu tragen«, sagt der Musiker. In den nächsten Monaten wolle er seine Erfindung noch verbessern, sagt Weinberg, den Sensor leichter, kleiner, präziser machen. Ein Patent hat er bereits angemeldet; außerdem verhandelt er mit verschiedenen Technologiefirmen in den USA und Israel über eine Vermarktung des Produkts.

Wenn sein Team den Sensor – also das Verbindungsstück zwischen Armstumpf und Handprothese – weiter verbessert und zeitgleich eine andere Firma an einer weiterentwickelten Prothese arbeitet, wenn beide Teile mit der von Weinbergs Team entwickelten Software integriert würden, »dann könnten wir in zwei Jahren mit einer neuen bionischen Hand auf dem Markt sein«, sagt der Forscher.

Bewegungen Melissa Tober ist begeistert von der Idee, dass ein Mensch mit Handprothese vielleicht bald seine Finger wieder einzeln bewegen, beugen, strecken und »all die komplexen Bewegungen machen kann, die eine Hand ausmachen«, sagt die Ergotherapeutin, die in der Emory-Uniklinik in Atlanta arbeitet.
Aber sie warnt auch vor allzu großem Enthusiasmus, denn: »Der Alltag sieht an­ders aus.« Die meisten Arm- und Handprothesen seien heute Schmuckprothesen und würden aus der Eigenkraft des Körpers gesteuert, der Drehung der Schulter oder des Ellbogens zum Beispiel. Eher selten arbeitet sie mit Patienten, die myoelektrische Prothesen haben.

Die Gründe sind vielfältig. Hightech-Prothesen sind teuer, bis zu 100.000 Dollar, und nur wenige Versicherungen in den USA übernehmen die Kosten. Außerdem sind sie empfindlich, bisweilen unbequem zu tragen und schwierig zu benutzen. »Der Umgang mit diesen Prothesen erfordert viel Disziplin, viel Übung und vor allem: viel Geduld«, sagt Tober.

Sie arbeitet seit 18 Jahren als Ergotherapeutin, und immer wieder erlebt sie, dass Patienten entnervt aufgeben. »In neun von zehn Fällen verzichten die Amputierten irgendwann auf die Prothese und versuchen, mit dem verbliebenen Stumpf klarzukommen.«

sinnesreize In einer perfekten Welt würden Forscher eine Handprothese entwickeln, »die sich natürlich anfühlt und bewegt«, sagt Tober. »Eine Prothese, die fleischfarben ist und leicht, die allein mit den Gedanken zu steuern ist und dem Träger Sinnesreize ermöglicht.« Eben so wie die bionische Hand von Luke Skywalker.

Gil Weinberg ist überzeugt, dass all das in nicht allzu ferner Zukunft liegt. »Echte Innovation ist möglich«, sagt er. Science-Fiction könne Wirklichkeit werden, wenn verschiedene Forschungsgruppen eng zu­sammenarbeiteten. Dann, meint er, könnte er seinem Freund Jason Barnes eine bionische Hand basteln, »die nicht nur so aussieht und so funktioniert wie die von Luke Skywalker, sondern sich auch so anfühlt«. Und ohne langes Zögern setzt er hinzu: »Vielleicht schon in zehn Jahren.«

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