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3 Fragen und Antworten zum Exoskelett: Vorab zu klären!
Ob als Hebehilfe im Job, bei der Bundeswehr oder zur Unterstützung alltäglicher Bewegungen, das Exoskelett gilt als Technologie der Zukunft. Doch woher leitet sich dieser Begriff eigentlich ab? Die erste Silbe „exo“ stammt aus dem Altgriechischen. Sie bedeutet „außen“. Was ein Skelett ist, brauchen wir hingegen nicht weiter auszuführen. Es handelt sich also um eine äußere Stützstruktur. Doch wollen wir dem Konzept mit wenigen Fragen näher auf den Grund gehen.
Was ist ein Exoskelett?
Ursprünglich wurde der Begriff Exoskelett für Tiere verwandt. Dort wird es als Sammelbegriff, welcher Strukturen bezeichnet, die wiederum Lebewesen gewissermaßen als Stützkorsett umgeben, beschrieben. Tatsächlich sind diverse Einzeller davon umgeben. Dies trifft beispielsweise auf Kammerlinge, Rädertiere und Geißeltierchen zu. Aber auch Krebse, Spinnen und Insekten sind häufig damit ausgestattet. Weiterführend wäre es ebenfalls möglich, die Ligin- oder Cellulosewände der Pflanzenzellen als Exoskelett zu beschreiben. Alternative Begriffe sind Ektoskelett, Endoskelett oder Außenskelett.Im Besonderen interessiert uns das Exoskelett für den Mensch. Hierbei muss eine Stützstruktur an den menschlichen Körper angepasst werden. Somit sind robotische, mechanische oder maschinelle Strukturen gemeint. Hierbei mag es sich um eine Aufstehhilfe für Behinderte handeln oder um eine kraft verstärkende Konstruktion für den Arbeitsalltag. Einige Exoskelette kommen mit einem gesonderten Antrieb daher. Andere können darauf verzichten. Beim Menschen ist es zudem so, dass nur selten ein Großteil des Körpers umschlossen ist. Ein Exoskelett kann ebenso nur auf den Arm oder eventuell auf den Rücken für Gelähmte zur Anwendung kommen.
Wie funktioniert ein Exoskelett?
Bereits seit den 60er Jahren arbeitet die Wissenschaft daran, Exoskelette für den Menschen zum Einsatz zu bringen. Seit 2013 sind die ersten Produkte markttauglich. Doch wie funktioniert so ein Exoskelett? Bevor wir uns an einer Beschreibung versuchen, möchten wir auf unterschiedliche Exoskelett-Hersteller in Deutschland und auf der ganzen Welt verweisen. Die Funktion unterscheidet sich mitunter je nach Fertigung. So ist der Antrieb in der Regel mit wieder aufladbaren Batterien gewährleistet. Diese müssen je nach Tätigkeit und Entwicklung in einem Zeitrahmen von zwei bis sechs Stunden getauscht werden.Derzeit sollte sich ein Exoskelett wie eine mechanisierte Hose vorgestellt werden. Es handelt sich um eine bewegliche Außenhülle, welche den menschlichen Körper vom Rippenbogen bis hinunter zu den Fußsohlen umschließt. Der Batterieantrieb ist früher auf dem Rücken zu finden gewesen. Neuere Modelle haben den Antrieb im Anzug integriert. Der „Rucksack“ als Ladestation entfällt hier. Der Rahmen selber und nicht etwa der Mensch trägt das Gewicht. Dieses kann zwischen 15 und 40 Kilogramm betragen. Das Exoskelett hält den Nutzer aufrecht. Gelenke befinden sich dort, wo die benutzende Person diese ebenfalls vorzuweisen hat. Über Controller/Joysticks, Sensoren oder Auslöser werden die Impulse des Menschen an den maschinellen Körper weitergegeben.
Die Umsetzung der Steuerung erfolgt über Elektro- oder Hydraulikmotoren. Diese setzen den Außenpanzer und somit ebenfalls den innen sitzenden oder stehenden Menschen in Bewegung. Inzwischen ist nicht nur die Bewegung auf ebenem Gelände möglich. Exoskelette ermöglichen das Sitzen oder sogar das Gehen auf Gefälle. Bisweilen wird beim Exoskelett bauen schon darauf geachtet, dass sogar Treppen zu überwinden sind.
Zusammenfassung: Exoskelette sind außen am Menschen anliegende Maschinen, die auszuführende Arbeiten erleichtern und Belastungen senken sollen. Weiterhin können damit körperliche Einschränkungen negiert werden.
Wie viel kostet ein Exoskelett?
Ein Exoskelett wird bisweilen als „Maschine zum Arbeiten“ bezeichnet. Im gewissen Sinne handelt es sich um einen Roboter, der von innen heraus von einem Menschen gesteuert wird. Doch ist es schwer, hier einen generellen Preis für das Exoskelett zu nennen. Wir können daher nur mit Beispielen arbeiten. Laevo vertreibt seine Produkte ab 2.000 Euro. Einige Berichte aus Japan sprechen von einem Modell namens „Muscle Suit“, welches an private Endverbraucher für einen Preis in Höhe von ca. 4.000 Euro veräußert wird.Das ist ein wichtiger Punkt. Denn normalerweise schaffen es die Exoskelette kaum zum Privatkunden. Wer ein Exoskelett kaufen möchte, der betreibt meist eine Firma. Bei Audi kam bereits ein sogenanntes Ergoskelett zum Einsatz. Ziel war eine Entlastung der Arbeitskraft – mit Erfolg. Über 20 Prozent aller Fehltage sind in diversen Branchen auf Fehlbelastungen zurückzuführen. Auf diesem Weg lohnt sich eine Investition in einen motorisierten Anzug. Tatsächlich wird dem Exoskelett bis ins Jahr 2026 ein Marktvolumen von 4,65 Milliarden US-Dollar prognostiziert.
Exoskelette im Einsatz: Wo die Stützstruktur ihren Nutzen entfaltet
Einleiten möchten wir diesen Abschnitt mit einer Geschichte. James Hobson träumte jahrelang von einem eigenen Exoskelett. Irgendwann bekam er von einem Freund ein paar pneumatische Hubzylinder geschenkt und fing an zu werkeln. Er stellt ein Video auf YouTube ein, welches heute schon weit über 3 Millionen Zugriffe zu verzeichnen hat.
https://www.youtube.com/watch?v=aQsAHhRxwvw
Schnell wurden die Medien auf den jungen Konstrukteur aus Kanada aufmerksam. Es dauerte nicht lange, da musste er im Fernsehen den Nutzen seiner Konstruktion beweisen – mit Erfolg. Denn er hob in einer Sendung ein Gewicht von 125 Kilogramm ohne große Kraftanstrengung in die Höhe. Er hat sich in dieser Branche inzwischen selbstständig gemacht und entwickelt seine Produkte für die Medizin.
Medizin: Das Exoskelett für Behinderte und die Reha
Eingangs möchten wir einen Blick nach Amerika wagen. Denn dort haben bereits vier Produkte die Zulassung der FDA bekommen. Den ersten Schritt machte diesbezüglich Rewalk im Jahr 2014. Indego (Parker Hannifin) und Ekso GT (Ekso Bionics) mit ihrem Stammsitz in Amerika zogen nach. Inzwischen ist auch HAL aus Japan mit seinen Exoskeletten auf dem Markt zugelassen. Jeweils ist die Zielgruppe klar definiert. Es handelt sich um ein Exoskelett für Querschnittsgelähmte. Diese können ihr Gehvermögen stärken. Schon minimale Impulse werden hier in Bewegung umgewandelt. Dadurch ist ein aktiver Muskelaufbau wieder möglich. Doch geht es nach wie vor nicht ohne Gehhilfen.In der Reha gibt es dann noch das Exoskelett für Querschnittslähmung, welches beispielsweise auf dem Laufband zur Anwendung kommt. Hocoma aus der Schweiz ist ein Hersteller, welcher auf diese Technik setzt. HAL von Cyberdyne kommt ebenfalls in der Reha zum Einsatz. Dr. Peter Heiligensetzer ist CTO von German Bionic. Seine Produkte werden aktuell zwar in der Technik eingesetzt, doch schließt das Augsburger Unternehmen den Eintritt in die Medizintechnik nicht aus. Schon im Jahr 2015 titelte das Ärzteblatt „Krankenkassen bezahlen Exoskelett für Querschnittsgelähmte“. Doch bezieht sich diese noch nur auf Krankenhäuser, wie das Querschnittsgelähmten-Zentrum Greifswald oder das RKU in Ulm. Allerdings erfüllt nicht jeder Patient die Voraussetzungen zur Bedienung eines Exoskeletts.
Informationen: Weitere Anwendungsgebiete betreffen Schlaganfall-Patienten, die zum Beispiel am Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik das Wiedererlernen von Bewegungen üben sollen. Auch Hyundai hat 2015 einen Prototyp (Hyundai LifecaringExo Skeleton) vorgestellt, welcher als Geh-Assistent dient und Stürze vermeiden soll. 2017 stellte Hyundai auf der CES zwei weitere Exoskelette für Menschen mit Muskelschwäche und Querschnittsgelähmte vor.
Sport: Für Leistungssportler und bessere Ergebnisse
Eine sehr anspruchsvolle Sportart ist der Skilauf. Wie lange die Sportler auf den Skiern Sport treiben können, ist maßgeblich von der Muskulatur und der Kondition abhängig. Hat der Mensch seine Grenze erreicht, muss mit dem Hobby pausiert werden. Roam Robotics möchte hier die Regeln ändern. Daher wurde ein Exoskelett auf den Markt gebracht, welches die Muskulatur an den Beinen aktiv unterstützt. Das Ziel: Die Skifahrer sollen länger aushalten können. Für Snowboarder findet das Konzept gleichermaßen Anwendung. Das System selber ist aus zwei Schienen gefertigt, welche einerseits am Skischuh und andererseits auf Knie-Höhe befestigt werden.Ein pneumatischer Antrieb fungiert hier wie ein Stoßdämpfer. Beugt der Skifahrer das Knie, so wird Luft in den Aktor gepumpt. Es findet eine Dehnung statt, welche dem Menschen einen Teil der Arbeit abnimmt. Die nötige Körperkraft wird verringert. Über eine App lässt sich der Grad der Unterstützung einstellen. Wer ein solches Exoskelett kaufen möchte, der ist jetzt sicherlich enttäuscht. Denn das Roam-Ski-System ist nicht für den Vertrieb an den Endverbraucher gedacht. Das Unternehmen möchte die Produkte an Wintersportorte vermieten. Dennoch ist bekannt, dass ein Roam-Ski-System mit 2.500 US-Dollar verbucht wird.
Zukunftsträume: Weitere Anwendungsbeispiele im Sport sind uns nicht bekannt. Wer eine Sportart ausübt, möchte sich für gewöhnlich selber bewegen. Doch gerade im Alter oder nach einer Verletzung mag eine robotische oder maschinelle Unterstützung sehr willkommen sein.
Industrie: Prothesen und Roboter-Anzüge erleichtern die Arbeit
Innerhalb der Industrie gibt es zahlreiche Tätigkeiten, welche auf körperlicher Arbeit basieren. Für die Entwickler ist, neben der Medizin, die Industrie als Zweig am ehesten wirtschaftlich. Denn aus Sicht eines Unternehmens machen besonders Ergoskelette, die körperliche Arbeiten erleichtern, Sinn. Denn sie sorgen einerseits für eine größere Zufriedenheit im Job und reduzieren andererseits die Ausfallzeiten. So hat Panasonic den Powerloader entwickelt. Pecro brachte den Body Extender auf den Markt. Cyberdine mit HAL und Hyundai H-Wex sind weitere Produkte, welche insbesondere zum Heben von Lasten zum Einsatz kommen. Auch das deutsche Unternehmen German Bionic Systems ist zu nennen.Da die Arbeitsausfälle und –unfälle dank der Exoskelett-Hersteller zurückgehen, ist damit zu rechnen, dass sich diese Technologie auf Dauer durchsetzt. Schlussendlich sind, durch die geringeren Ausfall- und Krankheitszahlen, auch Krankenkassen und Versicherungen daran interessiert. Besonders in der Logistik, wo viel zu heben und tragen ist, ist ein Einsatz zielführend. Roboter, die sich von Exoskeletten darin unterscheiden, dass sie ihre Arbeiten selbstständig ausführen, können nicht in jeder Branche zum Einsatz kommen. Exoskelette bekleiden hier eine Nische: Hoher Kraftaufwand, aber aufgrund der Komplexität vom Menschen auszuführen. Der Schweizer Entwickler Noonee hat zum Beispiel den Chairless Chair entwickelt. Dieser ermöglicht es Arbeitern Tätigkeiten in einer sitzenden Haltung auszuführen, die sonst nur im Stehen möglich ist. Dies entlastet, wie erste Versuche bei Automobilherstellern gezeigt haben, die Arbeitnehmer bei der Montage.
Militär: Für den Transport schwerer Lasten
Ist ein Roboter-Anzug für das Militär möglich? Im gewissen Sinne ist er schon im Einsatz! Denn in den USA ist das „Future Soldier Programm“ unlängst angelaufen. Dabei wird auch der sogenannte HULC getestet. Hierbei handelt es sich um eine Abkürzung des Human Universal Load Carrier. Wie aus dem Namen schon hervorgeht, handelt es sich um einen Anzug, der das Heben von schweren Lasten erleichtert. Genauer gesagt ist es ein Exo-Beinskelett, mit welchem der Anwender selbst in schwierigem Gelände Gewicht bis zu 90 kg stemmen kann. Hier ersetzt eine Person die Arbeitskraft von drei Menschen. Und die Gefahr auf Verletzungen ist ebenfalls verringert.
Dann gibt es auf der anderen Seite noch den XOS. Dieser Name basiert auf der Abkürzung Wearable Energetically Autonomous Robot. Sarcos Research hat das Produkt auf den Markt gebracht. Auch hier können Lasten bis zu 90 kg von einem Militär bewegt werden. Erneut ist die Logistik das Ziel. Von der US-Army kommen wir nun nach Russland. Hier steht anscheinend eher der Kampfeinsatz im Vordergrund. Bezüglich eines Prototyps des Herstellers ZNiiTochMash soll es möglich sein, mit dem Maschinengewähr einhändig präzise zu schießen. Nachtsichtgerät, Kameras, Filtermaske und Plättchen aus Keramik werten das Exoskelett zur Verbesserung der körperlichen Fähigkeiten auf.
Pro- und Contra-Abwägung zum Thema Exoskelette
Ob es sich nur um eine Roboterhand handelt, den Fuß oder ob der gesamte Körper unterstützt wird. In diversen Anwendungsgebieten hat das Exoskelett seinen praktischen Nutzen. Firmen wie Ottobock entwickeln entsprechende Vorrichtungen. Erste Modellversuche, zum Beispiel bei BMW, sind unlängst durchgeführt. Nachfolgend möchten wir zwar zunächst auf die Vorzüge eingehen, aber die Schattenseite der Exoskelette nicht verschweigen.
Vorteile vom Exoskelett: für Querschnittslähmungen und im Job
Für den normalen, technikbegeisterten Bastler zu Hause ist es in der Regel nicht möglich ein Exoskelett selber bauen zu können. Dafür fehlt es auch am Material. Eine Bauanleitung haben wir daher nicht parat, wohl aber die Vorzüge eines Exoskeletts.- Ergonomische Assistenz: Um Krankheiten im Beruf vorzubeugen, können die Produkte zum Einsatz kommen. Gerade in Berufen, wo viel körperlich gearbeitet wird, ist die Ausfallzeit der Mitarbeiter höher. Eine Unterstützung in diesem Bereich könnte Krankentage deutlich reduzieren und so auch den Preis vom Exoskelett rechtfertigen.
- Wiedereingliederung: Umgekehrt könnte unlängst ein Arbeitsunfall geschehen sein. In bestimmten Branchen ist es dem Mitarbeiter an diesem Punkt nicht mehr möglich, einige konkrete Arbeiten auszuführen. Mit dem „Roboter-Anzug“ stehen diese Möglichkeiten jedoch eventuell wieder im Raum. Inklusion ist also ein Thema.
- Nutzen: Durch ein Exoskelett könnte die Beweglichkeit gehbehinderter Menschen zumindest zum Teil wiederhergestellt werden. Besonders Gelähmte erhoffen sich in dieser Richtung eine weitere Innovation.
- Rehabilitation: Nach einer Operation könnte technische Unterstützung dieser Art bei Reha-Programmen zum Einsatz kommen. Durch die zusätzliche Unterstützung ist es möglich, früher bestimmte Bewegungen auszuführen und so schneller gesund zu werden.
- Lasten befördern: Sowohl in der Logistik, als auch beim Militär, richtet sich der hauptsächliche Einsatz von entsprechenden Hilfsmitteln aktuell auf das Heben und Befördern schwerer Lasten aus. Für die Beförderung von Gegenständen übernimmt hier ein Arbeiter mit Exoskelett die Körperkraft von drei anderen Personen.
- Höhere Produktivität: Doch nicht nur das Anheben von schweren Produkten oder Bauteilen, auch die Steigerung der Arbeitsleistung ist ein wichtiges Thema der Zukunft von Exoskeletten.
- Hilfestellung im Sport: Sportler können ihren Sport ausdauernder ausführen. Behinderte Personen sind überhaupt erst in der Lage sich weiter ihres Hobbys zu widmen.
Nachteile vom Exoskelett: Kosten, Reparatur und moralische Fragen
Doch technische Prothesen für Hand oder Beine können moralische Fragen aufwerfen. Dies gilt besonders dann, wenn die Anwender dadurch anderen Menschen in bestimmten Bereichen überlegen sind.- Kostenfaktor: Einige Modelle schlagen aktuell mit 100.000 Euro zu Buche (je nach Umfang sind natürlich günstigere Produkte ab 2.000 Euro möglich). Hier könnte sich die Schere zwischen Arm und Reich auftun. Denn bei solch hohen Preisen wird das Exoskelett sicher keine Kassenleistung sein.
- Reparatur: Jetzt hast du ein Exoskelett und es funktioniert nicht mehr. Dann wird daraus eventuell ein unbeweglicher Klumpen Metall. Auch Reparaturen können dann ein teures und mitunter kompliziertes Unterfangen werden.
- Höhere Lasten: Die Schattenseite bei der Möglichkeit mehr tragen zu können ist, dass die Industrie die zu befördernden Lasten oder die Gewichte von Möbeln oder anderen Produkten erhöhen könnte. Dann sind die Angestellten auch weiterhin an ihrer körperlichen Leistungsgrenze.
- Hinfallen: Es hört sich simpel an. Doch die Möglichkeit bei der Anwendung mit einem Exoskelett zu fallen, ist real. Durch das zusätzliche Gewicht können, je nach Bauweise, Verletzungen mit größerer Wahrscheinlichkeit eintreten.
- Verlust von Arbeitsplätzen: Dieser Faktor ist ein Zukunftsszenario. Doch die erhöhte Kraft und Produktivität könnte im Umkehrschluss diverse Jobs überflüssig machen – ähnlich wie die Digitalisierung.
- Mechanisches Doping: Beim Leistungssport gilt es die Frage zu klären, welche Hilfsmittel erlaubt sind. Wird die Leistungsfähigkeit, zum Beispiel durch eine Armverlängerung gesteigert, dürfen die Personen dann noch an Wettbewerben im Spitzensport teilnehmen?
Exoskelett Anwendung: Beispiele mit praktischem Nutzen
In Ironman oder bei den Avangers sehen wir, wie Tony Stark seine Körperkraft über einen Superanzug steigert. Auch wie eine militärische Anwendung aussehen könnte wird dort, aber auch bei Edge of Tomorrow oder in Avatar dargestellt. Doch von der Fiktion zur Wirklichkeit. Schon im Jahr 2012 lief die Britin Claire Lomas auf Basis künstlicher Hilfe. Sie hat es geschafft, mit von außen steuerbaren Kniegelenken, den Marathon in 17 Tagen zu absolvieren.
Eine große Innovation ist beispielsweise der „Chairless Chair“. Übersetzt könnte es der „Stuhl ohne Stuhl“ genannt werden. Tatsächlich handelt es sich um eine Art Anzug, mit der das Arbeiten im Sitzen ermöglicht wird – ohne tatsächliche Sitzgelegenheit. Dadurch können bestimmte Tätigkeiten, für die sonst eventuell eine gebückte Haltung oder fortwährendes Stehen nötig wäre, im Sitzen ausgeübt werden. Um dieses Exoskelett zu tragen, sind sich 2,4 kg umzuschnallen. Besonders in der Autoindustrie findet diese Entwicklung Anklang.
Fazit: Das Exoskelett als echte Lebens- und Arbeitshilfe?
Wer selber ein Exoskelett kaufen möchte, der muss derzeit noch tief in die Tasche greifen. Doch in einigen Reha-Einrichtungen und bei wenigen Arbeitgebern sind entsprechende Konzepte schon im Einsatz. Doch großflächig werden die Exoskelette noch nicht eingesetzt. Anbieter gibt es zur Genüge. Die Weiterentwicklung schreitet voran.Nach Vorlage vom Exoskelett von Insekten wurde das Konzept schon vor vielen Jahren versucht auf den Menschen umzumünzen. Inzwischen ist die Technik weit genug. Vom smarten Handschuh, über die Gehhilfe für Querschnittsgelähmte, bis zur Unterstützung beim Tragen von Lasten und der Sitzerleichterung mit dem Chairless Chair ermöglicht das Exoskelett einen vielfältigen Einsatz und entwickelt sich immer mehr zur Lebens- und Arbeitshilfe.
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