Unsere Projekte beinhalten zum größten Teil interdisziplinäre Forschungsvorhaben, die in weltweiter Kooperation mit unseren Partnern durchgeführt werden.

Im Allgemeinen bezeichnet der Ausdruck Kooperation die Zusammenarbeit an einer Aufgabe mit der Ausrichtung auf ein gemeinsames Ziel. Erfolgreiche Kooperation erfordert eine gegenseitige Anpassung an das wahrgenommene Verhalten und die kommunizierten Intentionen des Gegenübers. Im Falle einer physischen Interaktion, wie z.B. dem gemeinsamen Tragen eines Objekts, wird ein erheblicher Anteil dieser Informationen über haptische Signale ausgetauscht. Zu diesem Zweck ist eine Unterscheidung zwischen externen Reizen und solchen, die aus eigenen Bewegungen resultieren, nötig.

Im Rahmen dieses Projekts (DFG Projektnummer 402740893) innerhalb des Schwerpunktprogramms The Active Self untersuchen wir die zugrunde liegenden Prinzipien solcher Interaktionen und übertragen die Erkenntnisse auf Mensch-Roboter-Kooperationen, um diese intuitiver für den Menschen zu gestalteten.

Eine Voraussetzung für die erfolgreiche Kooperation zwischen Mensch und Roboter ist die gegenseitige Wahrnehmung.

Die Hauptanwendung von Herzkatheterisierungen liegt in der vertiefenden Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose. Hierbei führen verschiedene Arten von Ablagerungen in den Herzkranzgefäßen (Plaque) zu einer Verringerung des inneren Querschnitts. Dies sorgt für eine Minderdurchblutung des Herzmuskels und kann damit zu einem Herzinfarkt führen. Zur minimal-invasiven Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose wird ein dünner Führungsdraht mit einem Durchmesser von 360 μm, in der Regel von der Leiste aus, durch die Arterie femoralis oder auch durch die Arterie radialis am Handgelenk in das Gefäßsystem des Patienten eingeführt und bis in die Herzkranzgefäße an die zu behandelnde Stelle geschoben. Hierzu muss der Arzt die im Gefäß befindliche Drahtspitze durch Drehen und Schieben am äußeren Ende durch die verengten Gefäße navigieren. Schwierigkeiten entstehen durch ein fehlendes haptisches Feedback, welches die ohnehin komplexe Navigation durch die Herzkranzgefäße zusätzlich erschwert.

Im Gegensatz zum Projekt HapCath, bei dem die Generierung eines haptischen Feedbacks für den Kardiologen im Fokus steht, ist das Ziel des Projektes SMArt Guide Wire (DFG Projektnummer 392780747) eine erleichterte Navigation durch eine Steuerbarkeit des Führungsdrahtes zu ermöglichen. Daher wurde im Rahmen dieses Projektes die Integration einer SMA-Aktorik (Formgedächtnislegierung) in der Führungsdrahtspitze erforscht. Damit ist eine von außen einstellbare Steifigkeit sowie eine von außen einstellbare Krümmung der Führungsdrahtspitze möglich.

Während eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs wird die Anzahl der kleinen Zugänge (Ports), z.B. zum Bauchraum, auf ein Minimum beschränkt. Dadurch sind postoperative Schmerzen und Komplikationsraten gering und Patienten genesen schneller. Allerdings ergeben sich aus dieser Beschränkung der Freiheitsgrade neue Herausforderungen in Form der begrenzten Beweglichkeit und Navigierbarkeit der Instrumente im Körperinneren. Daher wurde im Rahmen dieses Projektes (DFG Projektnummer 172196622) ein Teleoperationssystem mit parallelkinematischer Struktur entwickelt, das austauschbare chirurgische Instrumente (z.B. Greifer) als Endeffektoren besitzt und über fünf Freiheitsgrade verfügt. Zur Steuerung der Endeffektoren wurde ein haptisches Nutzerinterface geschaffen, das mittels einer Delta-Kinematik und einem Bedienelement Bewegungen detektiert, skaliert und überträgt. Umgekehrt messen Kraftsensoren die Interaktionskräfte am Endeffektor, die am Bedienelement haptisches Feedback generieren, um eine intuitive Steuerung für operierende Fachkräfte zu ermöglichen.

Die Hauptanwendung von Herzkatheterisierungen liegt in der vertiefenden Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose. Hierbei führen verschiedene Arten von Ablagerungen in den Herzkranzgefäßen (Plaque) zu einer Verringerung des inneren Querschnitts. Dies sorgt für eine Minderdurchblutung des Herzmuskels und kann damit zu einem Herzinfarkt führen. Zur minimal-invasiven Diagnose und Behandlung von Arteriosklerose wird ein dünner Führungsdraht mit einem Durchmesser von 360 μm, in der Regel von der Leiste aus, durch die Arterie femoralis oder auch durch die Arterie radialis am Handgelenk in das Gefäßsystem des Patienten eingeführt und bis in die Herzkranzgefäße an die zu behandelnde Stelle geschoben. Hierzu muss der Arzt die im Gefäß befindliche Drahtspitze durch Drehen und Schieben am äußeren Ende durch die verengten Gefäße navigieren. Schwierigkeiten ergeben sich durch ein fehlendes haptisches Feedback und der dadurch erschwerten Navigation durch die Herzkranzgefäße.

Im Rahmen des Projekts HapCath (DFG Projektnummer 5429061 und 212414892) stand der Entwurf und die Realisierung eines haptischen, kraftvermittelnden Assistenzsystems für Katheterisierungen in der medizinischen Diagnostik und Therapie. Der Lösungsansatz beruht auf der Kraftmessung an der Führungsdrahtspitze und der Rückführung der Kraftsignale in skalierter Form auf eine in den Behandlungsablauf integrierte haptische Bedieneinheit.

REM-Aufnahme des entwickelten Silizium-Miniaturkraftsensors basierend auf dem piezoresistiven Prinzip.

Mit zunehmendem Alter sowie durch das Gleichgewicht beeinflussende Krankheiten nehmen Stürze im Alltag zu. Um die damit verbundenen Verletzungen und Todesfälle zu reduzieren, wurden in den letzten Jahren Interventionsmaßnahmen primär über körperliches Training erforscht und umgesetzt.

In diesem Projekt (FiF Website) werden neuartige Ansätze zur Reduzierung des Sturzrisikos untersucht. Dazu werden Vibrationen mittels Ultraschall kontaktlos auf die Haut aufgebracht. Im Vergleich zu konventionellen Vibrationsmotoren ermöglicht Ultraschall eine flexible Wahl der Stimulationsparameter, wie Signalform, Amplitude und Frequenz.