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Bionics

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Erwin-Schrödinger-Saal
Plenary / Panel
german language

Speakers

Professor, Klinische Abteilung für Plastische und Rekonstruktive Chirurgie, Universitätsklinik für Chirurgie, Medizinische Universität Wien Abstract
Der Verlust eines Armes bedeutet für jeden Menschen einen gewaltigen Einschnitt in seiner persönlichen Lebensgeschichte. Die verlorene körperliche Integrität, der Verlust von allgemeinen und spezifischen Handfertigkeiten und vielleicht vor allem der Verlust von persönlicher Unabhängigkeit sind für diese Patienten nur schwer zu ertragen.
Der Traum das Verlorene durch biologische und/oder technische Hilfsmittel wiederherzustellen beschäftigt jeden, der entweder als Betroffener oder Arzt, damit konfrontiert ist. Biologisch, besteht, zumindest für den Handverlust, die Möglichkeit der homologen Handtransplantation. Für den Armverlust, wäre das theoretisch möglich, ist jedoch aus vielen Gründen zur Zeit nicht sinnvoll. Somit bleibt für Armamputierte nur die Möglichkeit der myoelektrischen Prothese. Das große Problem dieser Prothesen ist jedoch die sinnvolle Integration dieser Hilfsmittel in das Körperbild des Patienten. Das gilt sowohl für die motorische Steuerung, als auch für die Propriozeption, bzw. spezifische sensible Rückmeldung der Kraftentwicklung am Endorgan. Einfach ausgedrückt die "Körper" Wahrnehmung und Steuerung. Diesem Ziel galten all unsere Bemühungen: Einem Patienten, der beide Arme bei einem Stromunfall verloren hat, die Möglichkeit zu geben einen künstlichen Arm wie seinen eigenen ansteuern und spüren zu können. Zu diesem Zweck haben wir alle wichtigen Armnerven aus dem Amputationsstumpf herausgelöst und an funktionstüchtige neuromuskuläre Einheiten des Rumpfes angeschlossen. Damit haben wir die Möglichkeit geschaffen, dass der Patient seinen Arm neurobiologisch am Rumpf "wiederfindet". Auch Hautnerven aus dem Halsnervengeflecht wurden so verlagert, dass der Patient nun im Bereich der Schulter seine Hand spürt.
Die große Herausforderung der letzten Monate war es diese neu geschaffene "neurologische Landschaft" zu erkunden und für die Prothesensteuerung zu nutzen. Da der Patient für mehr als ein Jahr seinen Arm im Kopf nicht mehr angesteuert hat, bedurfte es eines intensiven Trainings um diese Funktionen wiederzufinden. Für normale Individuen ist es nicht schwierig in Ihrer Vorstellung die Hand zu schließen. Für jemanden der keine Hand hat ist das eine Großleistung. Für diesen Patienten umso mehr noch, da er beide Arme verloren hat und selbst das Nachahmen mit der jeweils kontralateralen Extremität auch nicht möglich war. Nachdem die wesentlichen Hand/Armfunktionen für den Patienten wieder eindeutig an den verschiedenen Rumpfmuskeln identifiziert wurden, konnte man mit diesen Impulsen gleichlautende Funktionen an der Prothese belegen. Die Impulserkennung, Zuordnung bzw. auch Integration in ein sinnvolles Bewegungsmuster von einzelnen Steuerteilen ist noch immer eine Herausforderung und wird noch zu einer deutlichen Verbesserung der natürlichen Bewegungskontrolle führen. Dieses "Finetuning" ist einerseits abhängig von der noch fortschreitenden Fähigkeit des Patienten Handfunktionen noch deutlicher zuordnen zu können. Andererseits aber auch von den Technikern diese Impulse oder Impulsmuster stabil abzuleiten und letztlich von der Softwareentwicklung diese in die Bewegungskontrolle zu integrieren.
In Bezug auf die sensible Integration hat der Patient in den letzten Monaten, ähnlich wie auch bei der Motorik seine Hand an der Schulter wiedergefunden. Anfangs war diese Sensibilität sowohl in Bezug auf die topographische Zuordnung als auch in Bezug auf die spezifischen Sinnesqualitäten nur vage wahrnehmbar. Zuletzt konnte der Patient nicht nur klar abgegrenzte Areale identifizieren welche er eindeutig seinem Daumen, Zeigefinger und Handfläche zuordnen kann, sondern hat in manchen Arealen auch feine Sinnesqualitäten entwickelt mit Druckschwellen unter 1gm/mm². Auch Temperatur, Schmerz, Vibration und grobe zwei Punkt Diskrimination sind möglich geworden. Damit haben wir die neurobiologischen Grundlagen geschaffen um die Prothese sinnvoll zu sensibilisieren. Da die Mechanorezeptoren an der Schulterhaut ein anderes Spektrum aufweisen als die in der Leistenhaut der Hand, sind wir davon abgekommen Stempeldrucksysteme anzudenken um diese mit Druckrezeptoren an der Prothese zu koppeln, da ein phasisches Rezeptorsystem notwendig ist um Druckänderungen zur Zeit entsprechend interpretieren zu können. Die häufigsten schnell adaptierenden Druckrezeptoren sind die Meissner-, bzw. Pacinischen Körperchen. Da der Patient Vibration in verschiedenen Frequenzen und unterschiedlicher Intensität differenzieren kann ist eine Koppelung an dieses System am erfolgversprechendsten. Auch hier ist natürlich ein aufwendiges "TechNeuroRehabilitations Programm" notwendig, um dem Patienten diese Fremdsensibilität so eigen zu machen, dass der Arm schließlich vom Patienten "gefühlt" wird. Im Allgemeinen können junge Patienten jedoch diese geistigen Sprünge sehr wohl mit einiger Übung erfolgreich bewältigen.
Letztendlich siegt was einfach ist und wir sind überzeugt, dass Nervenverlagerungen oben dargestellter Art jenen Patienten helfen werden die vorhandene Technik optimal auszunützen um wieder ein Stück Körperlichkeit zurückzugewinnen.
Group Leader, Evolutionary Biomaterials Group, Max-Planck-Institute for Metals Research, Stuttgart Abstract
Weshalb fällt ein Gecko nicht von der Wand? Tiere besitzen Haftsysteme von überraschender Qualität. Deren Geheimnis liegt vorwiegend in der Struktur und den Materialeigenschaften der haftenden Oberflächen. Moderne hoch auflösende Verfahren ermöglichen die Strukturanalyse dieser Oberflächen bis in den entscheidenden Nano-Bereich und ihre präzise mikromechanische Charakterisierung. Die neuen Erkenntnisse sind auch für die Technik von großem Interesse. Sie dienen zunehmend der Entwicklung von bio-inspirierten Materialoberflächen für so Unterschiedliches wie Klebebänder und Kletterroboter.
Professor emeritus, Universität des Saarlandes (UdS), Saarbrücken; Arbeitsstelle für Technische Biologie und Bionik, Akademie der Wissenschaften, Mainz Abstract
Der Vortrag behandelt die allgemeinen Fragen der Bionik. Man könnte fragen: Bionik - Was ist das? Was soll das? Was bringt das?
Zwei Eingangsbeispiele zeigen auf, dass Bionik sicher nicht als äußere Naturähnlichkeit zu verstehen ist, wohl aber im Sinne einer funktionellen Analogie zwischen Natur und Technik.
Die Vorgehensweise bei bionischen Ansätzen ist dreistufig: Naturstudium - Abstraktion des Naturvorbilds - Übertragung in die Technik lege artis der Ingenieurwissenschaften.
Es gibt drei Bionik-Schwerpunkte:
Strukturbionik - Verfahrensbionik - Entwicklungsbionik. Zu diesen drei Schwerpunkten wird je ein ausführliches Beispiel gebracht.
An der Basis jeder bionischen Kooperation zwischen Biologie und Technik steht der analoge Vergleich. Dieser kann im Sinne eines (äußerlichen) Formvergleichs und eines (funktionsbasierten) Funktionsvergleichs geschehen. Bionisch i.e.S. ist der letztere.
Ingenieure und Biologen kommen am besten auf den technischen Stufen "Konzeption" und "Weiterentwicklung" zusammen. Ähnlich sieht dies der VDI (Verein Deutscher Ingenieure).
Ein kleines Kaleidoskop technischer und biologischer Gegenüberstellungen beendet den Vortrag.
Geschäftsführer, JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Graz Chair

Dr. med. univ. Oskar C. ASZMANN

Professor, Klinische Abteilung für Plastische und Rekonstruktive Chirurgie, Universitätsklinik für Chirurgie, Medizinische Universität Wien

1986-1988 Studium der Biologie und Philosophie, Universität Wien
1988-1994 Studium der Medizin, Universität Wien
1994-1998 Neurobiology and Principles of Nerve Reconstruction, Johns Hopkins University
1994-1998 Christian Education, Maryland Theological Seminary
seit 1998 Mitarbeiter der Medizinischen Universität Wien (Medizinische Fakultät der Universität Wien)
2004 Habilitation: Plastische, Ästhetische und Wiederherstellende Chirurgie (Neurobiologische Mechanismen und Therapie peripherer Nervenschädigungen)
seit 2004 Fellow of the European Board of Plastic Surgeons

Dr. Stanislav GORB

Group Leader, Evolutionary Biomaterials Group, Max-Planck-Institute for Metals Research, Stuttgart

 Received his Ph.D. degree in zoology and entomology at the Schmalhausen Institute of Zoology of the Ukrainian Academy of Sciences in Kiev. Gorb was a postdoctoral researcher at the University of Vienna, a research assistant at University of Jena, a group leader at the Max-Planck-Institute for Developmental Biology in Tübingen, and a visiting professor at both the University of Washington and Nanjing University of Astronautics and Aeronautics in China. Starting on 1. October 2008 he will be Chair of Zoology at the University of Kiel, Germany. Gorb's research focuses on morphology, structure, biomechanics, physiology and evolution of surface-related functional systems in animals and plants, as well as the development of biologically inspired technological surfaces and systems.

Dr. rer. nat. Werner NACHTIGALL

Professor emeritus, Universität des Saarlandes (UdS), Saarbrücken; Arbeitsstelle für Technische Biologie und Bionik, Akademie der Wissenschaften, Mainz

 Studium der Naturwissenschaften, u.a. Biologie und Physik, an der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Technischen Universität München
 Promotion über ein Biophysikalisches Thema, Staatsexamen, Habilitation
 Wissenschaftlicher Assistent, Zoologisches Institut und Strahlenbiologisches Institut, Universität München
 Associate Research Professor, University of California
 Professor, Universität des Saarlandes (UdS), Arbeitsgebiete Bewegungsphysiologie, Technische Biologie und Bionik

Dr. Bernhard PELZL

Geschäftsführer, JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Graz

 Studium der Sprachwissenschaften, Orientalistik, Geschichte und Philosophie (Wissenschaftstheorie) an der Karl-Franzens-Universität Graz
1971-1979 Forschungs- und Lehrtätigkeit an den Universitäten Graz, Hamburg und Münster/Westfalen, dazwischen Verlagslektor und Buchhändler
1979-1997 Beim ORF Österreichischer Rundfunk, zuletzt Leiter der Ö1-Reihe "Dimensionen", Wien
  Honorar-Professor für Medienwissenschaften (Ästhetik, Semiotik, Rhetorik) an der Karl-Franzens-Universität Graz
  Consultant für Managementberatung und Marketing
seit 1997 Wissenschaftlicher Direktor der JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH, Graz

Technology Forum

show timetable

21.08.2008

10:00 - 12:30Technology brunch hosted by Tiroler ZukunftsstiftungSocial
13:00 - 13:20Opening by the European Forum AlpbachPlenary
13:20 - 14:00Plenary sessionPlenary
14:00 - 14:30Plenary sessionPlenary
15:00 - 15:45Ethics of sciencePlenary
15:45 - 16:30Stem cellsPlenary
17:00 - 18:00Politics and science - Advice through sciencePlenary
20:00 - 21:30BionicsPlenary
21:30 - 23:30Reception hosted by Alcatel-Lucent Austria AGSocial

22.08.2008

09:00 - 18:00Junior Alpbach - Science and technology for young peopleBreakout
09:00 - 16:00Working Group 01: From basic research to economic valueBreakout
09:00 - 16:00Working Group 02: Research integrity in scienceBreakout
09:00 - 16:00Working Group 03: The myths of life sciences and their consequencesBreakout
09:00 - 16:00Working Group 04: Aviation and the environmentBreakout
09:00 - 16:00Working Group 05: Think Tanks in AustriaBreakout
09:00 - 16:00Working Group 06: Gender mainstreaming in science and development. Perceive realities and decide visionarilyBreakout
09:00 - 16:00Working Group 07: Success factor human resources - Regions in competitionBreakout
09:00 - 16:00Working Group 08: Climate change - The future of transportBreakout
09:00 - 16:00Working Group 09: The governance of applied research: responsibilities, independence and resourcesBreakout
09:00 - 16:00Working Group 10: Digital healthcareBreakout
09:00 - 15:00Ö1 Children's University Alpbach - Science and technology for kidsBreakout
10:00 - 15:00Special Event: From the Stability Pact for South Eastern Europe to the Regional Cooperation Council - A New Momentum for the Western Balkans' Perspective in Higher Education and Research?Breakout
10:00 - 16:00Working Group 11: Energy efficiency - Recognizing opportunities, utilizing potentialsBreakout
16:30 - 17:15The frontiers of science, part IPlenary
17:15 - 18:30Global competition for global talentsPlenary
20:00 - 21:30Information and communications infrastructures - The nerve centres of modern societiesPlenary

23.08.2008

10:00 - 10:30Science education for a science-driven societyPlenary
10:30 - 11:15The frontiers of science, part IIPlenary
11:15 - 11:45The future of the environment and agriculturePlenary
12:00 - 12:15Junior Alpbach and Ö1 Children's University Alpbach 2008Plenary
12:15 - 13:15Improbable Research and the Ig Nobel prizePlenary
13:15 - 14:00Snack reception, hosted by AVL List GmbHSocial