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Exoskelette: Science-Fiction wird Realität

Superkräfte für alle

Exoskelette: Diese Technologie entlastet die menschlichen Muskeln

Ein Exoskelett unterstützt den menschlichen Körper und verleiht uns regelrechte Superkräfte. Das können die futuristischen Roboteranzüge und so funktionieren sie:

Exoskelette: Diese Technologie entlastet die menschlichen Muskeln
cookelma/Envato

Exoskelette sorgen für eine Kooperation zwischen Mensch und Maschine.

Das Wort Exoskelett ist eine Kombination aus zwei griechischen Begriffen: „exo“ (außen) und „skeletós“ (Skelett). In der Natur bezeichnet der Begriff das stabilisierende Außenskelett von Gliederfüßern wie Insekten und Krebstieren, das oft auch Chitinpanzer genannt wird.

Ein künstliches Exoskelett dagegen ist ein mechanisches Gerüst für den menschlichen Körper, das wie ein Anzug getragen werden kann und das menschliche Skelett sowie die menschlichen Muskeln entlastet. Weil hier Mensch und Maschine zusammenarbeiten, wird das Konzept oft Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) genannt.

Die Anfänge der Technologie

Science-Fiction-Liebhaber denken jetzt vielleicht an die Rüstung des Superhelden „Iron Man“ aus dem Marvel-Universum. Oder an den riesigen Laderoboter, mit dessen Hilfe es Ellen Ripley in „Aliens“ mit der Alien-Königin aufnimmt. Doch die mechanische Unterstützung für unseren Körper ist inzwischen längst keine Zukunftsmusik mehr.

Die Entwicklung robotischer Exoskelette begann bereits in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts. Um 1965 begann der US-Konzern General Electric mit der Entwicklung des „Hardiman“. Der Hardiman war ein Ganzkörper-Exoskelett, dessen Aufgabe es war, das Heben schwerer Gegenstände zu erleichtern. Das Eigengewicht des Hardiman betrug fast 700 Kilogramm. Allerdings kam das große, schwere Exoskelett aus Sicherheitsgründen nie zum Einsatz.

In den 1960er- und 1970er-Jahren wurden die ersten Exoskelette entwickelt, die als Gehhilfe dienen sollten. Unter anderem fand die Forschung und Entwicklung Ende der 1960er Jahre am Mihajlo-Pupin-Institut in Serbien und Anfang der 1970er-Jahre an der University of Wisconsin-Madison in den USA statt. Beide Projekte hatten ungleich mehr Erfolg als der Hardiman.

Exoskelette wurden erst im 21. Jahrhundert marktreif

Aufgrund der begrenzten technischen Möglichkeiten der Zeit sowie mangelnder Erfahrung dauerte es dennoch bis zum frühen 21. Jahrhundert, bis die ersten kommerziellen Exoskelette den Markt erreichten.

Zu den Vorreitern im Einsatz von Exoskeletten gehört die US-Armee. Die passende Technologie lieferte der amerikanische Rüstungskonzern Lockheed Martin. Der „Human Universal Load Carrier“, kurz HULC, erleichtert das Tragen schwerer Lasten ungemein. Der Träger des Systems kann mit Leichtigkeit bis zu 90 Kilogramm Gewicht transportieren. Der HULC wurde 2009 zuerst vorgestellt.

Inzwischen stellt Lockheed Martin auch das Exoskelett ONYX her, das die Beinmuskulatur unterstützt. Auf diese Weise erhalten Soldaten gleichzeitig bessere Mobilität und bessere Ausdauer.

Exoskelette: Das Modell Human Universal Load Carrier von Lockheed Martin
Lockheed Martin

Der HULC (Human Universal Load Carrier) von Lockheed Martin

So sorgen Exoskelette für mehr Sicherheit am Arbeitsplatz

Inzwischen werden Exoskelette auch am Arbeitsplatz verbreiteter. Sie eignen sich besonders für Mitarbeiter, die für ihre Aufgaben viel Körperkraft aufwenden müssen oder Tätigkeiten in ergonomisch ungünstigen Haltungen durchführen. Auch heute noch müssen 23 % aller Beschäftigten in Deutschland schwere Lasten heben und 14 % von ihnen riskieren durch ihre Arbeit Haltungsschäden.

Auch hier waren die USA ein Vorreiter: In 15 Werken der amerikanischen Automarke Ford ist das Tragen von Exoskeletten inzwischen für bestimmte Arbeiten Pflicht. Das Resultat: Das Unternehmen verzeichnete über 80 % weniger Erkrankungen seiner Mitarbeiter im Rücken- und Schulterbereich.

Der Unterschied zwischen aktiven und passiven Exoskeletten

Aktive Exoskelette

Aktive Exoskelette besitzen einen elektrischen oder pneumatischen Antrieb und benötigen dafür eine Energieversorgung. Das macht die Bedienung oft komplex und sorgt für ein hohes Eigengewicht.

Auch die Funktionsweise aktiver Exoskelette ist oft komplex: Viele von ihnen besitzen Sensoren, die an Hüfte und Knie platziert sind. Diese reagieren auf die bioelektrischen Signale, die das Gehirn an die Muskulatur sendet. Ein kleines auf dem Rücken getragenes Computersystem übernimmt deren Verarbeitung, erkennt dadurch die Absicht des Menschen und lässt die passenden Bewegungen ausführen.

Zu den beeindruckendsten Beispielen für aktive Exoskelette gehört der der „Dual-Arm Power Amplification Robot“ des japanischen Unternehmens ALActiveLink, der direkt von dem futuristischen Laderoboter aus „Aliens“ inspiriert ist. Seine großen Roboterarme verstärken die Kraft des Trägers um ein Vielfaches. So lässt sich problemlos ein Gewicht von 100 kg heben. Auch die Funktionsweise der Exoskelette von Martin Lockheed folgt dem aktiven Prinzip.

Passive Exoskelette

Passive Exoskelette unterstützen den Körper des Trägers rein mechanisch. Das geschieht etwa über Federn, welche die Energie bestimmter Bewegungen aufnehmen und diese wieder abgeben, um andere Bewegungen zu unterstützen. Passive Exoskelette benötigen keine Energieversorgung und sind somit leichter und preiswerter.

Die in den Ford-Werken eingesetzten Exoskelette verwenden das passive Prinzip und verstärken auf rein mechanischem Weg die Körperkraft der Arbeiter.

Was sind die Risiken?

Die Forschung nach möglichen Risiken für die Benutzer von Exoskeletten stehen momentan noch am Anfang. Bedenken haben Experten etwa in Bezug auf auf möglichen Muskelabbau oder Durchblutungsstörungen der Arme. Bei aktiven Exoskeletten könnte zudem eine Fehlfunktion von Antrieb und Steuerung zu Verletzungen führen.

Auch Fehlbedienungen können gefährlich werden, weshalb eine umfassende Schulung der Träger Pflicht ist. Um die Risiken durch die Nutzung von Exoskeletten umfassend zu ermitteln, hat die Berufsgenossenschaft Handel und Warenlogistik (BGHW) 2018 das Projekt „Exo@work – Bewertung exoskelettaler Systeme in der Arbeitswelt“ ins Leben gerufen.

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