Unterrichtsmaterial Physik Sekundarstufe

Chip-Zelle-Schnittstellen: Wenn Technik und lebendes Gewebe verschmelzen

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Cyborgs aus Science-Fiction-Filmen gibt es längst auch in der Wirklichkeit. Anders als im Film verleihen medizinische Implantate keine übermenschlichen Fähigkeiten, sondern helfen Menschen, durch Krankheit oder Unfall verlorene Funktionen ganz oder teilweise wiederzuerlangen. Das Arbeitsmaterial zeigt, wie sogenannte Chip-Zelle-Schnittstellen technische Bauteile mit lebendem Gewebe verbinden – vom Herzschrittmacher über Netzhaut- und Hörimplantate bis zu gedankengesteuerten Prothesen. Das Arbeitsmaterial führt anhand realer medizinischer Implantate in das Prinzip der Chip-Zelle-Schnittstelle ein. Ausgehend vom motivierenden Einstieg ‘Cyborg‘ wird zunächst erklärt, wie ein Chip ‘mit einer Zelle spricht‘: Das elektrische Potenzial einer Zelle wird mit dem Gate eines Feldeffekttransistors gekoppelt, sodass biologische Signale digital ausgewertet oder umgekehrt Zellen elektrisch angeregt werden können. Der historische Bezug zum Herzschrittmacher verbindet dieses Prinzip mit einer konkreten elektronischen Schaltung (astabile Kippschaltung). Darauf aufbauend werden Implantate für Sinneseindrücke (Retina- und Cochlea-Implantat), Steuerchips beziehungsweise Gehirn-Computer Schnittstellen für gedankengesteuerte Prothesen sowie Gesundheitstracker behandelt. Ein roter Faden führt vom Auslesen körpereigener Signale bis zum aktiven Steuern durch Gedanken. Vier Aufgabenblöcke sind in das Arbeitsblatt eingebettet und bauen im Anspruch aufeinander auf. Abschließend regen ethische und sicherheitsrelevante Fragen zur Diskussion in Gruppen oder im Plenum an. Hinweise für die betreuende Lehrkraft Für die Lösung der Online-Schaltungssimulation ist eine vorherige Recherche zum Herzschlag (60-80 Schläge pro Minute ≈ 1 Hz) und zum EKG-Verlauf notwendig. In der angegebenen Quelle zur Kippschaltung finden sich weiter unten Hinweise zu den Ein- und Ausschaltzeiten der Kippschaltung. Variiert werden nur die Widerstände R3 und R4 und die Kondensatoren C1 und C2. Für die erste Simulation sollte daher jede LED 500 ms eingeschaltet und ausgeschaltet sein. Schaut man aber einmal genauer auf eine EKG-Kurve (Recherche), ist die Pulsdauer nicht symmetrisch, sondern der Erregungspuls deutlich kürzer als der Herzschlag. Auch das lässt sich mit der Simulation schön erzeugen. In diesem Fall leuchtet LED1 nur kurz auf, LED2 nahezu 1 Sekunde. Die Frequenz einer einfachen Kippschaltung lässt sich nur schwer an die körperliche Belastung anpassen. Moderne Herzschrittmacher verwenden deshalb Mikrocontroller, die die Frequenz und auch die Pulsdauer individuell anpassen können. Bei der Aufgabe zum Gesundheitstracker ist eine Umfrage in der Klasse/dem Kurs zu der Frage, wer so einen Tracker benutzt, sehr spannend – auch im Hinblick auf den Datenschutz. Denn viele Tracker sind nur über eine App auslesbar und gewährleisten damit häufig externen Firmen Zugriff auf die Daten. Dies ist vielen Schülerinnen und Schülern gar nicht bewusst. Bei allen Implantaten sind neben der rein medizinischen Forschung auch militärische Nutzungen möglich. So investiert unter anderem die US-Armee seit Jahren in Gehirnimplantate. Solche Nutzungen werfen selbstverständlich weitere und tiefgreifende ethische Fragen auf. Dies könnte hier im Unterricht aufgegriffen werden: https://www.aerztezeitung.de/Panorama/Mit-Biotechnologie-zum-Super-Soldaten-414423.html https://www.stern.de/digital/frankreich--gruenes-licht-fuer-bionische-soldaten-9527618.html Fachkompetenz Die Schülerinnen und Schüler verstehen das Grundprinzip einer Chip-Zelle-Schnittstelle, indem sie die Kopplung des Zellpotenzials mit dem Gate eines Feldeffekttransistors sowie die Rolle der Ionenkanäle und der Signalweiterleitung beschreiben. beschreiben Aufbau und Funktion medizinischer Implantate (Herzschrittmacher, Retina- und Cochlea-Implantat, Gehirnimplantate) und ordnen sie technisch ein. erläutern die Funktionsweise einer astabilen Kippschaltung und übertragen sie auf die Taktgebung eines Herzschrittmachers. Medienkompetenz Die Schülerinnen und Schüler recherchieren gezielt Informationen zum aktuellen Stand der Technik (zum Beispiel zu Gehirn-Computer-Schnittstellen). nutzen ein digitales Simulationswerkzeug (Online-Schaltungssimulator), um eine elektronische Schaltung nachzubauen und zu testen. bereiten Informationen adressatengerecht und strukturiert auf, etwa in einer Vergleichstabelle oder in einer Pro-und-Kontra-Liste. Sozialkompetenz Die Schülerinnen und Schüler diskutieren ethische und gesellschaftliche Fragen von Implantaten und Gesundheitstracking in Gruppen und im Plenum sachlich und respektvoll. vertreten eine eigene, begründete Position (zum Beispiel zu Datenschutz, Haftung oder ‘Human Enhancement‘) und setzen sich mit abweichenden Standpunkten auseinander. entwickeln gemeinsam eine Regel (zum Beispiel zum Datenschutz bei implantierten Sensoren) und begründen ihre Entscheidung.