Yukiko Tomookas filigrane Hände drehen den Roboter sorgfältig um die eigene Achse. An das fingerspitzengrosse Gerät ist eine Laserfaser angeschlossen. Tomooka zeichnet mit ihren Fingern Bewegungen in die Luft, die das Gerät vollführen würde, wenn es bei einer Operation eingesetzt würde, und zieht ein 3D-Modell eines Knies auseinander, um zu zeigen, wo der Roboter ansetzen soll.

An diesem Roboter arbeitet Tomooka schon seit eineinhalb Jahren. Er ist das Herzstück ihrer Gruppe, des Bio-Inspired RObots for MEDicine Laboratory (BIROMED-Lab), das von Prof. Dr. Georg Rauter geleitet wird. Dieses erforscht am Departement Biomedical Engineering (DBE), wie Roboter in Zukunft chirurgische Eingriffe untestützen können.

Stabilität gefragt

Tomookas Gruppe hat einen Miniaturroboter für minimalinvasive Laseroperationen entwickelt. Erste Zielanwendungen des Roboters sind Knieoperationen wie die unikondyläre Knieendoprothese oder Knorpelreparaturen: «Viele Menschen unterziehen sich diesen Eingriffen, allerdings werden diese in der Regel als invasive offene Operationen durchgeführt. Mit unserem Miniaturroboter wollen wir diese Eingriffe weniger invasiv gestalten», erklärt die Doktorandin. Das Knie stellt die Forschenden vor Herausforderungen, denn das Gelenk ist komplex und der Platz im Gelenk für chirurgische Instrumente ist begrenzt.

Entsprechend klein ist auch der Roboter, der die Chirurg*innen bei den Operationen unterstützt. Hier konnten die Forschenden bereits einen Erfolg verbuchen: «Der Prototyp des Befestigungsmechanismus ist fertig, jetzt müssen wir seine Leistung bewerten», sagt Tomooka. Für ihre Doktorarbeit erforscht die Japanerin einen Befestigungsmechanismus, der es dem Roboter ermöglicht, den Laser in Bezug auf das Zielgewebe zu positionieren, die Position zu verändern und zu stabilisieren: «Das Gerät muss genau und robust gegenüber mechanischen Störungen arbeiten. Ich versuche, einen Mechanismus zu entwickeln, der diese Stabilität erhöht.»

Erst ein Stipendium, dann das Versprechen einer Anstellung

Dafür hat sie spezielle Ballons entwickelt, die sich von selbst aufblasen und auch wieder entlüften können. Dadurch wird der Raum zwischen dem Gewebe und dem Roboter ausgefüllt, so dass dieser quasi eingeklemmt und damit stabilisiert wird. So kann er die Position des Roboters fixieren, der den Laser an der Spitze führt, um die Knochen zu schneiden.

Bis jetzt ist die Doktorandin zuversichtlich: «Wir sind auf gutem Weg, auch wenn noch einige Arbeit vor uns liegt.» 2025 will sie ihre Dissertation beenden. Dann soll ihre Arbeit in Basel aber noch nicht vorbei sein.

Tomooka fand das BIROMED-Lab über seine Webseite und kontaktierte den Leiter Prof. Dr. Georg Rauter. «Ich fand seine Arbeit wahnsinnig spannend. Aber leider gab es keine offene Stelle in seinem Labor», erzählt sie. Mit Rauters Hilfe bewarb sie sich um ein Exzellenzstipendium des Bundes, das ihre Forschung an der Universität Basel für drei Jahre mitfinanziert und die internationale Zusammenarbeit fördert. Zusätzliche Mittel für ihr Projekt hat auch der Nationale Forschungsschwerpunkt Robotik (NCCR Robotics) eingeworben.

Englische Fachbegriffe büffeln

Aufgewachsen ist Tomooka in Tsukuba, einer Stadt nordöstlich von Tokio. Eigentlich wollte sie Medizin studieren – entschied sich dann aber für Medizintechnik. «Ich habe mich sehr für Zahn- und Humanmedizin interessiert, aber eben auch für Physik und Mechanik. Mit diesem Studium konnte ich meine Leidenschaften kombinieren», erzählt sie. Während des Studiums fehlte ihr aber der Austausch mit dem medizinischen Fachpersonal: Eine Zusammenarbeit mit Medizinern hatte sie während ihres Studiums  nicht. «Wir untersuchten medizinische Geräte ohne engen Kontakt zu Ärzten und konnten keine Rückmeldung bekommen, ob diese hilfreich sind», sagt die Forscherin.

Sowohl ihren Bachelor als auch ihren Master schloss sie in Hokkaido, einer Insel im Norden Japans, ab. Danach wechselte sie in die Privatwirtschaft, wo sie fünf Jahre für Canon Medical Systems Corporation arbeitete. Danach reizte sie jedoch die Idee, doch noch zu promovieren. Ihr Wechsel nach Basel brachte dann vor allem sprachliche Hindernisse mit sich: «Mein Studium war bis zum Bachelor ausschliesslich auf Japanisch. Ich musste also erst einmal die englischen Fachbegriffe lernen.»

Grösstes Problem ist die Zeitverschiebung

In Basel fand sie genau das, was ihr in Japan fehlte: Das DBE ist Teil der medizinischen Fakultät und arbeitet eng mit den Fachleuten zusammen, welche die Roboter am Ende bedienen werden. Sie geben Tomooka wichtiges Feedback, um die Prototypen zu optimieren.

Auch privat fühlt sie sich in Basel sehr wohl. «Dank der Fachgeschäfte finde ich auch die Lebensmittel, um typische japanische Gerichte zu kochen», sagt sie. Der Kontakt zu ihrer Familie ist jedoch nicht ganz so einfach: Seit ihrem Umzug sieht sie sie nur noch einmal im Jahr und auch Telefonieren ist eine Herausforderung. «Wegen der Zeitverschiebung kann ich nicht nach Feierabend anrufen, dann schlafen sie schon. Das verschiebe ich dann auf Tage, an denen ich nicht arbeite.»

Langweilig wird ihr in Basel nicht. «Es gibt viele Tage, an denen ich plötzlich merke, dass es schon dunkel ist. Dann fahre ich nur noch vom Labor nach Hause und geh schlafen. Das passiert, wenn man so eine spannende Arbeit hat.»

3D-Drucker und Dentalroboter kommen als nächstes

Die Möglichkeiten für ihren Prototypen sind noch lange nicht ausgeschöpft. Ein weiteres Projekt ist ein 3D-Drucker: «Dieser würde an der Stelle, die der Laser zuvor weggeschnitten hat, direkt Biomaterial hineindrucken – so passgenau wie nur irgend möglich», schwärmt Tomooka.

Auch in der Dentalmedizin soll der Roboter eingesetzt werden: «Unser Innosuisse-Projekt zu diesem Thema steht aber erst am Anfang und wir müssen grundlegende Fragen klären: wie klein muss der Roboter sein und welche Kraft braucht er, um zahnmedizinische Instrumente wie einen Bohrer zu bewegen», erklärt die Forscherin.

Tomooka freut sich darauf, weitere Studien mit verschiedenen Anwendungen in Angriff zu nehmen. Sie kann sich auch vorstellen, nach ihrer Promotion wieder in die Privatwirtschaft zu gehen. Hauptsache, sie kann Maschinen bauen und dazu beitragen, medizinische Verfahren zu verbessern.