„Dass ich mit meiner Forschung die Medizin verbessern kann, motiviert mich enorm” – Jessica Burgner-Kahrs

„Dass ich mit meiner Forschung die Medizin verbessern kann, motiviert mich enorm” – Jessica Burgner-Kahrs

Die Informatikerin Jessica Burgner-Kahrs über Kontinuumsroboter, revolutionäre Hirnoperationen und einen Nachmittag im Zoo

Interview: Dirk Liesemer

JAM: Auf den ersten Blick sehen die Roboter, an denen Sie forschen, eher unscheinbar aus. Sie erinnern jedenfalls weder an ein menschliches Vorbild noch an einen Roboter, wie man ihn etwa aus der Autoindustrie kennt.

Jessica Burgner-Kahrs: Stimmt, viele erwarten solche Ähnlichkeiten. Das ist bei unseren Kontinuumsrobotern nur sehr indirekt der Fall. Sie bestehen kurz gesagt aus zwei Teilen: einem Antrieb und einer Art Schlauch. Dessen Bewegungen erinnern an ein Tentakel eines Oktopusses oder, wenn etwa nach einem Gegenstand gegriffen wird, an den Rüssel eines Elefanten. Trotzdem handelt es sich um Roboter. Einer klassischen Definition zufolge ist ein Roboter eine steuerbare Maschine, die Positionierungen vornehmen kann. Dafür existiert sogar eine DIN-Norm. Weil es sich letztlich um programmierbare Maschinen handelt, gibt es eine riesige Vielfalt, dazu zählt auch der Staubsaugerroboter im Haushalt. 

JAM: Was unterscheidet Kontinuumsroboter von klassischen Robotern?

Jessica Burgner-Kahrs: Sie haben keine Gelenke und keine starren Verbindungen, sind stattdessen eher von der Natur inspiriert und haben Elemente, die an einen Regenwurm oder eben einen Elefantenrüssel erinnern. Der kleinste Kontinuumsroboter, an dem wir forschen, hat einen Durchmesser von gerade mal einem Millimeter. Wir wollen wissen, wie sich gelenklose Mechanismen im Maschinenbau umsetzen, beherrschen und mathematisch beschreiben lassen. Denn am Ende müssen die Roboter gesteuert werden können und regelbar sein. Deshalb interessiert auch, wie Mensch und Maschine miteinander interagieren können. Anders gesagt: Wie kann man einen Roboter steuern, der kein Schultergelenk, Ellenbogen oder Handgelenk besitzt?

JAM: Ihre Roboter sollen unter anderem einmal bei Operationen von Gehirntumoren eingesetzt werden. Wie kann man sich das vorstellen?

Jessica Burgner-Kahrs: Unsere Roboter müssen dann in der Lage sein, bislang unzugängliche oder schwer zugängliche Orte zu erreichen, eben auch im menschlichen Körper. Das wird die Chirurgie ganz grundsätzlich revolutionieren. Sie wird deutlich weniger invasiv sein als heutzutage. Wenn sich etwa ein Tumor an der Schädelbasis befindet, muss der Kopf bislang sehr weit geöff net werden. Für unsere Roboter reicht eine kleine Öffnung aus, etwa der Mund, die Nase oder ein winziges Loch im Schädel. Durch diese Öffnung kann ein Kontinuumsroboter eingeführt werden, der dann von einem Chirurgen direkt gesteuert wird und bis zum Tumor vorstoßen kann. Man ahnt, wie sehr sich die Arbeit, die Fertigkeiten und die Vorgehensweisen in der Medizin ändern werden. Denn noch immer wird in der Medizin häufig mit starren Instrumenten wie Skalpell, Scheren, Greifern auf geradem, direktem Wege hantiert. Mit unseren Instrumenten werden wohl Operationen möglich werden, an die heute noch niemand denkt.

JAM: Wie wird denn ein solcher Roboter während einer Operation gesteuert?

Jessica Burgner-Kahrs: Das ist natürlich von der jeweiligen Operation abhängig. Tumore könnten beispielsweise mit Laserablation im Gehirn entfernt werden. Ein Patient würde dabei in einem Magnetresonanztomografen liegen. Mit Hilfe dieser Bildgebung könnte man permanent überwachen, wo sich der Roboter gerade befindet. Auf Grundlage des Bildes kann man die Bewegungen des Roboters bestätigen. Im abdominalen und urologischen Bereich, etwa bei einer Nierenteilresektion, hätten Ärztinnen und Ärzte sogar ein direktes Echtzeitbild, weil vorne in den Robotern kleine Kameras integriert sind. Dieses Videobild kann zum Beispiel durch zusätzliche Ultraschallüberlagerungen präzisiert werden. Für solche Anwendungen muss der Roboter nicht zwingend nur einen Millimeter im Durchmesser haben, sondern kann auch einige Millimeter dick sein.

JAM: Ungeduldig will man nun gerne wissen, wie weit Sie denn mit Ihrer Forschung sind.

Jessica Burgner-Kahrs: Noch handelt es sich um Prototypen. Bevor man die Roboter bei einer Operation einsetzen kann, sind grundlegende Fragen zu beantworten. Wie lässt sich etwa mathematisch berechnen, wie sich die kleinen, elastischen Roboter genau verhalten? Um es bildlich darzustellen: Wenn ich einen Gartenschlauch hinter mir herziehe, soll der natürlich nicht an jedem Hindernis hängen bleiben, sondern sich möglichst elastisch um dieses herum winden und keinesfalls das Hindernis oder sich selbst beschädigen. Eine vergleichbare Elastizität muss ein Kontinuumsroboter im menschlichen Körper besitzen. Dafür brauche ich aber einen Sensor, der den Roboter und gegebenenfalls zusätzlich auch das Hindernis in Form und Größe erfassen und vermessen kann.

Und bei sehr kleinen Robotern müssen eben auch die Sensoren sehr klein sein. Je kleiner alles wird, desto riesiger werden die messtechnischen Herausforderungen. Dazu kommt, dass auch die mathematische Modellierung, die das Verhalten des Roboters vorhersagen soll, kompliziert ist. Dazu müssen aufwendige Algorithmen für Bewegungsplanung entworfen werden. Wenn man dem Roboter eine Bewegung vorgibt, dann muss diese exakt genauso ausgeführt werden, dann müssen sich im Innern des Roboters die Bowdenzüge oder die Röhrchen gegeneinander verschieben. All diese Herausforderungen müssen erst gelöst werden, bevor ein Roboter sicher bei einer Operation eingesetzt werden kann. Bislang arbeiten wir deshalb nur an Teilen toter Tiere oder an sehr natürlichen Nachbildungen, etwa einem Silikongehirn. 

JAM: Im Labor arbeiten Sie auch mit Chirurginnen und Chirurgen zusammen. Welche Reaktionen erleben Sie?

Jessica Burgner-Kahrs: Die meisten sind total begeistert, wenn sie unsere Roboter sehen und steuern. Oft sprudelt es aus ihnen heraus, was sie damit alles machen könnten. Für uns ist die Kooperation fruchtbar, weil plötzlich Anforderungen genannt werden, an die wir selbst so nicht gedacht haben. Ein Roboter muss nicht nur relativ nachgiebig sein. Sobald er am Ziel ist, muss er auf einmal sehr viel Kraft für eine andere Aufgabe aufwenden können, beispielsweise zum Nähen oder Schneiden. Der Roboter sollte sich also auf dem Weg zum Ziel sehr elastisch bewegen, sich dort aber enorm versteifen können, um die notwendigen hohen Kräfte aufzubringen. Wir arbeiten aber nicht nur mit Chirurgen zusammen, sondern mit sehr vielen Forschenden aus unterschiedlichen Fächern wie Informatik, Elektrotechnik, Materialwissenschaften oder Biologie. Von überall her kommen neue Impulse. Forschung findet nicht mehr in den althergebrachten Strukturen statt. Ich denke, wenn man nicht aus so vielen verschiedenen Richtungen geguckt hätte, gäbe es keine Forschung an Kontinuumsrobotern. Und diese Interdisziplinarität befördert die Revolution. Kontinuumsroboter können Orte auf unkonventionellen Wegen erreichen und dem Chirurgen so Zugänge ermöglichen, an die er bisher aufgrund der Einschränkungen durch bestehende Instrumente nicht gedacht hat. Wir denken die Robotik quasi kontinuierlich weiter.

JAM: Wie lange wird es aus technischer Sicht noch dauern, bis die ersten Operationen stattfinden können?

Jessica Burgner-Kahrs: Das sollte in fünf bis zehn Jahren möglich sein. Aber wir arbeiten nur an Prototypen. Bis unsere Forschung den Patientinnen und Patienten zugutekommt, müssen Kontinuumsroboter erst noch als Produkt entwickelt werden. Das muss irgendwer in die Hand nehmen. Vielleicht machen wir uns selbst oder jemand aus unserer Gruppe mit einem Start-up auf den Weg. Wann der erste Mensch mithilfe eines Kontinuumsroboters operiert wird, ist schwer zu sagen. Ich hoffe, ich werde das in meinem Forscherinnenleben noch erleben.

JAM: In welchen anderen Gebieten werden die Roboter künftig zum Einsatz kommen?

Jessica Burgner-Kahrs: Sie sind immer dann gut, wenn ein Ort nicht auf geradem Wege erreichbar ist, sondern kurvenreiche Wege oder mehrere Ecken bis zum Ziel bevorstehen. Abgesehen von medizinischen Operationen gibt es das große Feld der technischen Inspektionen, etwa von Flugzeugturbinen mit ihren zahlreichen Verdichterstufen und Turbinenschaufeln. Zudem werden unsere Roboter wohl eines Tages dazu dienen, um Menschen mit Fähigkeiten auszustatten, die sie verloren haben: etwa als Armprothesen mit rüsselartigen Strukturen zum Greifen von diversen Dingen. Aber auch als Exoskelette: Jemand, der einen Schlaganfall erlitten hat, kann mit Hilfe eines solchen äußeren Skelettes wieder lernen, seinen Arm zu heben. Oder Arbeitnehmerinnen und Arbeitnehmer können mit Hilfe eines beweglichen Exoskeletts schwere Gewichte von A nach B transportieren.

JAM: Das klingt so, als ließen Sie sich bei Ihrer Forschung von der Natur inspirieren.

Jessica Burgner-Kahrs: Das ist in der Tat so. Ich war vergangenes Jahr mit meinem Team im Zoo. Wir wollten mal schauen, wie gelenklose, nachgiebige Strukturen in der Natur genutzt werden. Deshalb haben wir dort Schlangen und Würmer beobachtet. Oder Flamingohälse, die mehr Wirbel besitzen als der menschliche Hals. Oder den Ameisenbären, der die längste Zunge im Tierreich besitzt. Wir haben uns gefragt: Welche Eigenschaften besitzen die elastischen Strukturen, welche Aufgaben können sie ausführen? Alle fühlten sich sehr inspiriert. Einen Elefantenrüssel exakt nach dem Vorbild der Natur nachzubauen, ist aber bis auf Weiteres mechanisch überhaupt nicht möglich: Er besteht aus vierzigtausend  einzelnen Muskelfasern, von denen jede einzelne individuell ansteuerbar sein müsste. Ein Elefant kann damit feinfühlig eine Münze greifen oder schwere Gewichte emporheben, dazu ändert er letztlich die Steifigkeit einzelner Muskelfasergruppen. Wir sind dabei, Roboter zu bauen, die je nach Aufgabe elastisch oder steif werden können, um sich diesem Verhalten anzunähern. 

JAM: Wo steht denn die Kontinuumsrobotik heute – noch ganz am Anfang?

Jessica Burgner-Kahrs: Das Feld ist noch neu, obwohl der allererste Roboter dieser Art schon Ende der 60er Jahre in den USA entwickelt wurde. Aber lange war man nicht in der Lage, ihn halbwegs mathematisch zu beschreiben. Erst seit anderthalb Jahrzehnten beginnt die Forschung daran weltweit. Während meiner Promotion habe ich von einem der Pioniere einen Vortrag über sehr kleine Kontinuumsroboter gehört. Zu ihm bin ich dann in meiner Postdoc-Phase zum Forschen gegangen. Es war unglaublich spannend zu lernen, wie diese völlig andere Art der Robotik funktioniert. Durch ein Rückkehrstipendium bin ich zurück nach Deutschland gekommen und habe eine fünfjährige Förderung für ein Grundlagenforschungsprojekt erhalten. Somit konnte ich die erste Nachwuchsgruppe zur Robotik überhaupt in der DFG aufbauen. Als erste in Deutschland geht meine Professur das Thema holistisch an. Mittlerweile arbeite ich mit sechs wissenschaftlichen Angestellten, einer Technikerin und einer Menge studentischer Hilfskräfte aus verschiedenen Studiengängen zusammen.

JAM: Wie sind Sie selbst zur Robotik gekommen?

Jessica Burgner-Kahrs: Als Kind wollte ich Chirurgin werden. Doch Ärzte tragen eine enorme Verantwortung über Leben und Tod. In der Schule habe ich dann während eines Informatikkurses gemerkt, dass mir mathematisches Denken liegt. Und im Studium der Informatik in Karlsruhe wurde mir klar, wie man mit Informatik und Robotik auch die medizinische Arbeit unterstützen kann. Dass ich mit meiner Arbeit die Versorgung von Patientinnen und Patienten verbessern kann, motiviert mich enorm. 

Jessica Burgner-Kahrs, Mitglied der Jungen Akademie seit 2016, arbeitet als Professorin am Lehrstuhl für Kontinuumsrobotik an der Leibniz-Universität Hannover. Dirk Liesemer ist freier Textchef bei beim Junge Akademie Magazin.

Durch die weitere Nutzung der Seite stimmst du der Verwendung von Cookies zu. Weitere Informationen

Die Cookie-Einstellungen auf dieser Website sind auf "Cookies zulassen" eingestellt, um das beste Surferlebnis zu ermöglichen. Wenn du diese Website ohne Änderung der Cookie-Einstellungen verwendest oder auf "Akzeptieren" klickst, erklärst du sich damit einverstanden.

Schließen