Der Informatiker Adalberto Llarena denkt, er möchte in die Küche fahren – und der Rollstuhl fährt dort hin. Das ist das Ziel einer Gruppe von Forschern an der FU Berlin. Sie hoffen, damit eines Tages schwer behinderten Menschen helfen zu können.
dalberto Llarena sitzt im Rollstuhl. Starr und konzentriert blickt er nach vorne. Seine Hände ruhen auf den Oberschenkeln. Um seinen Hinterkopf trägt er eine Art Kopfhörer, von dem viele kleine Kabel abgehen. Es sind Sensoren, die Llarenas Gedankenströme messen. Einige Sekunden verharrt der Wissenschaftler in dieser Position, dann setzt sich der Rollstuhl in Bewegung. Langsam fährt er in Richtung der geöffneten Glastür. Mit einem kurzen Links-Rechts-Manöver korrigiert Llarena den Kurs. Doch dann dreht das Gefährt plötzlich nach rechts ab, steuert Richtung Glasscheibe. Llarena haut mit der Hand auf den roten Notknopf. Der Rollstuhl stoppt.
Llarena und sein Team von der Freien Universität (FU) Berlin entwickeln einen vollautomatischen Rollstuhl, der per Gedankenkraft gesteuert werden kann. Die Technik könnte motorisch stark eingeschränkte Menschen mobiler machen. „Wir möchten, dass man ,Küche‘ denken kann und der Rollstuhl einen selbstständig dort hinfährt“, erläutert der Informatiker.
So weit sind die FU-Forscher jedoch noch nicht. Die Gedankensteuerung befindet sich noch in den Anfängen. Autonom durch das Gebäude bewegen kann sich der Rollstuhl jedoch schon jetzt, wie die Forscher zeigen. „Fahr in die Küche“, befiehlt Mitarbeiter David Vargas über ein kleines Mikrofon. „Fahre in die Küche“, bestätigt der Rollstuhl auf Englisch. Dann rangiert er aus seiner Parkposition in der Büroecke und zuckelt langsam durch die offene Tür. Auf seinem Bordcomputer ist eine Umgebungskarte gespeichert, mit der er sich orientiert. „Eine Navigation mit GPS ist innerhalb von Gebäuden nicht möglich“, sagt Llarena. Zwei Lasersensoren am Rollstuhl prüfen, ob Hindernisse auf der Strecke sind. Der Weg zur Küche ist in diesem Fall frei. Nach einer guten Minute hat der Rollstuhl die knapp 30 Meter zurückgelegt. Vor dem Spülbecken angekommen, meldet er artig: „Ich habe die Küche erreicht.“
Hauptprojekt ist das vollautonome Auto
Das Projekt ist Teil der Arbeitsgruppe Intelligente Systeme und Robotik, die vorrangig an der Entwicklung eines vollautonomen Autos arbeitet. Als vor drei Jahren das Nebenprojekt des selbstständigen Rollstuhls entstand, war die Idee zunächst, die erprobte Ortungs- und Navigationstechnik aus dem Auto eins zu eins zu übertragen. Doch am Rollstuhl sei nicht ausreichend Platz für die drei Computer und den rotierenden Lasersensor gewesen, berichtet Llarena. Sein Mitarbeiter José Alvarez-Ruiz weist noch auf zwei andere Unterschiede hin: So seien etwa die Regeln auf dem Fußweg nicht so eindeutig wie auf der Straße.
Zudem könne es sein, dass Menschen mit Einschränkungen ihre noch vorhandenen Fähigkeiten nutzen wollen. Es sei also nicht immer ein vollautonomer Rollstuhl gefragt, sondern die Hilfen müssten sich schrittweise steigern lassen. Damit aus dem Prototyp später vielleicht eine massentaugliche Technik wird, versuchen die Forscher, möglichst kostengünstige Technik zu verwenden. Wirklich billig ist sie zur Zeit jedoch noch nicht. Allein die beiden Lasersensoren, die Hindernisse erkennen sollen, kosten zusammen knapp 6000 Euro. Alvarez-Ruiz will sie deshalb durch zwei Kameras oberhalb des Fahrers ersetzen, die ein 360-Grad-Bild der Umgebung liefern sollen.
Der Rollstuhl versteht noch nicht jeden
Schwieriger als die Kostensenkung ist es jedoch, das Fahrziel aus den Gedanken des Nutzers herauszulesen. Bisher versteht der Rollstuhl nur bei einigen Testfahrern unausgesprochene Befehle wie „vorwärts“, „links“, „rechts“ und „stopp“. Dazu erstellt das Gerät ein EEG des Fahrers. Die 16 Sensoren am Kopf messen die Stromflüsse im Gehirn. So lassen sich besonders aktive Areale ermitteln. In den Aktivitätssignalen versucht der Rollstuhl dann ein Muster zu erkennen, das immer auftritt, wenn der auf ihm Sitzende etwa an „links“ denkt.
Allerdings ist es für den Computer schwierig, die Befehle zu identifizieren. „Es gibt in den Gedanken viel Rauschen“, erklärt Alvarez-Ruiz, Denn Strom fließe auch, wenn das Gehirn Bewegungsbefehle an die Muskeln gebe, und das sogar deutlich stärker. Außerdem seien die Signale bei den Richtungsgedanken fast gleich, ergänzt Llarena. Egal ob „vorwärts“ oder „rechts“, bei allen Befehlen wird vor allem der Motorkortex aktiv, eine Region der Großhirnrinde, die für die Bewegungssteuerung zuständig ist.
Erschwerend kommt hinzu, dass sich die Muster von Mensch zu Mensch unterscheiden, der Computer also die mentalen Befehle für jeden Nutzer neu interpretieren lernen muss. Gleichzeitig sind die Menschen gefragt zu trainieren, damit sie sich auf den jeweiligen Befehl fokussieren und nicht ablenken lassen. Keine leichte Aufgabe, wie der sichtlich erschöpfte Llarena nach seiner Vorführung berichtet: „Man muss sich sehr konzentrieren und immer vorausschauend denken, wo man in vier Sekunden hin möchte.“ Denn so lange benötigt der Computer im Rollstuhl, um das Gedankensignal auszulesen. In der Zwischenzeit verhindern die Sensoren der Vollautomatik Kollisionen.
An Orte soll der Rollstuhl sich erinnern
Fünf Jahre, schätzt der Informatiker, könne es noch dauern, bis der Rollstuhl aus den Gedanken das Ziel herausliest und selbstständig dorthin fährt. Aktuell seien die gängigen Brain-Computer-Interfaces, also die Technik zum Gedankenlesen, nur in der Lage, fünf bis sechs unterschiedliche Zustände bei trainierten Menschen wahrzunehmen. Mit diesen wollen die Forscher eine Zwischenlösung erreichen: „Mit den Gedanken könnte man ein Steuerungsmenü auf dem Monitor am Rollstuhl bedienen. So wären bereits mehr unterschiedliche Befehle möglich“, sagt Llarena.
Für die gewünschte Autonomie in der Stadt muss sein Team jedoch noch eine weiteres Problem lösen: die Navigation außerhalb von Gebäuden. Dies ist die Aufgabe von Alvarez-Ruiz. Er steht vor dem Problem, dass normal detailliertes Kartenmaterial bei größeren Umgebungen zu viel Speicherplatz einnehmen würde.
Darum will er dem Rollstuhl ein visuelles Gedächtnis verschaffen: Orte, an denen dieser bereits war, soll er anhand von gespeicherten Fotos wiedererkennen und von dort aus weiternavigieren. „Das Problem ist, dass sich Orte verändern“, sagt Alvarez-Ruiz. Für den Computer sei es schwierig, sie trotzdem als dieselben zu identifizieren: „Er kann ja nicht wirklich sehen, sondern es sind für ihn alles Zahlen und Daten.“
Deshalb gelte es, den optischen Erkennungsprozess so zu verfeinern, dass er auch Veränderungen durch Tages- und Jahreszeiten oder Bauzäune verkraftet. Damit der Rollstuhl irgendwann auf einen Gedanken hin nicht mehr nur in die Teeküche steuern kann, sondern auch zur Mensa und weit darüber hinaus.
Die wichtigsten Komponenten des Versuchsrollstuhls
Sensorkappe
Messfühler auf dem Kopf registrieren elektrische Signale des Gehirns beim Denken. So entsteht ein Elektro-Enzephalogramm (EEG), aus dem der Fahrtrichtungswunsch abgeleitet wird.
Stereokamera
Mit zwei Objektiven erzeugt eine Kamera über dem Kopf des Fahrers ein dreidimensionales Bild. Zusammen mit einer zusätzlichen 360-Grad-Kamera soll sie Hindernisse erkennen.
Monitor
Ein Bildschirm zeigt eine Karte der Umgebung und markiert darin den gerade erfassten Messbereich der Kameras. So kann der Fahrer sehen, ob die Technik ein Hindernis registriert.