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Exoskelett

Das Exoskelett - Die Technologie der Zukunft

Exoskelette: Sie zählen trotz des frühen Stadiums ihrer Entwicklung zu den richtungsweisenden Errungenschaften aus Technik und Mechanik, faszinieren Menschen in aller Welt und sind von gesamtgesellschaftlicher Bedeutung. Hierbei handelt es sich um Stützstrukturen für Organismen wie den Menschen. Auch Außenskelett genannt, ist das Exoskelett kein direkter Bestandteil des tragenden Körpers, sondern unterstützt und verstärkt seine Bewegungen mithilfe von maschineller Kraft. Das Exoskelett basiert angesichts seiner Kerneigenschaft auf Orthesen, welche im medizinischen Umfeld bereits seit langer Zeit zur Stabilisation und Entlastung bestimmter Körperregionen eingesetzt werden. Durch den Entwicklungsfortschritt von Robotik und Sensorik werden stetig weitere neue Modelle entwickelt, sodass das Anwendungsspektrum des Exoskeletts heute weit über den medizinischen Bereich hinausreicht. 

Aktive und passive Exoskelette - Aufbau und Funktionsweise

Hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Komponenten lassen sich Exoskelette grundsätzlich in die Gruppe der passiven und in die Gruppe der aktiven Stützstrukturen einteilen. Passive Exoskelette unterstützen den tragenden Körper lediglich mittels mechanischer Komponenten wieSprungfedern, Schienen und Gewichte – sie verfügen über keinen aktiv gesteuerten Antrieb. Entstehende Belastungen werden von der Stützstruktur aufgenommen und in Energie überführt beziehungsweise in den Boden abgeleitet. Aktive Exoskelette hingegen verfügen neben mechanischen Elementen über weitere aktive Antriebskomponenten, die zusätzlich zur Kraftreduzierung und Lastminderung beitragen. Genutzt werden in diesem Zusammenhang vorrangig die kurzbauenden Wellgetriebe der Baureihen CSD und SHD der Harmonic Drive AG in Kombination mit sehr kompaktbauende Elektromotoren Je nach Modell wird Sensorik eingesetzt, um Aktuatoren des Exoskeletts bereits vorzeitig über folgende Bewegungen des Menschen zu informieren. Die Steuerung der Bewegungsschritte kann hierbei über Muskelanspannungen erfolgen, welche von Sensoren aufgenommen werden. Alternativ kann die Steuerung auch über eine Bedienkonsolen erfolgen.

Sowohl aktive als auch passive Exoskelette gehen mit Vor- und Nachteilen einher. Während Modelle ohne elektrischen Antrieb an keinerlei Energieversorgung gebunden sind, müssen aktive Stützstrukturen aufgrund ihrer Komponenten beispielsweise durch Batterien oder Akkus mit Energie versorgt werden. Gegebenenfalls ist bei Letzteren folglich keine ununterbrochene Nutzung gewährleistet; zudem sind aktive Exoskelette oftmals deutlich schwerer als ihr Pendant. Aktive Modelle verfügen meist jedoch über einen höheren Unterstützungsgrad und können ihrem Träger damit mehr Last abnehmen als passive Stützstrukturen. Die Relevanz der einzelnen Vor- und Nachteile lässt sich schlussendlich nur in Bezug auf die jeweilige Anwendung bestimmen.

Exoskelette als Wegweiser für Medizin und Gesellschaft

Eine vielversprechende und zukunftsweisende Rolle wird dem Exoskelett vor allem im medizinischen Bereich zugesprochen. Hier kommen die körperlich schützenden als auch unterstützenden Eigenschaften und Funktionen der Stützstruktur in ihrer Grundform zum Tragen – sie helfen beeinträchtigten Menschen dabei, alltägliche Bewegungen auszuführen, Bewegungsfreiheiten wiederzuerlangen und existenzielle Bedürfnisse zu erfüllen. Im Rahmen klinischer Studien wird unter anderem der Einsatz von speziell angefertigten und auf die medizinischen Anforderungen ausgelegten Exoskeletten bei Patienten mit unterschiedlichsten Lähmungen untersucht. Dabei wird deutlich, dass es im medizinischen Kontext nicht die prinzipielle Aufgabe des Exoskeletts ist, in vollem Umfang bestehende Fähigkeiten zu verbessern, sondern Fähigkeiten zurückzugewinnen, die den Betroffenen etwa durch Erkrankungen entrissen wurden.

Die Bedeutung des Exoskeletts wird insbesondere bei Betrachtung der Gesellschaftsentwicklung deutlich. Steigende Lebenserwartungen und der demographische Wandel stellen bereits heute einige Herausforderungen an Medizin, Wirtschaft und Wissenschaft. Der Medizin wird an dieser Stelle eine ganz besondere Rolle zukommen, denn auch im Alter soll kein Mensch auf seine grundlegenden Bewegungsfreiheiten und Mobilität verzichten müssen. Der innovative Fortschritt der Exoskelett-Technik steht demnach nicht ausschließlich vor einem medizinischen, sondern ebenso vor einem gesamtgesellschaftlichen Hintergrund.

Bekannt sind Exoskelette vor allem als Stützstrukturen für Querschnittsgelähmte Personen. Diesen ermöglichen sie einen aufrechten Gang und alle damit verbunden Vorteile wie wieder erlangte Unabhängigkeit, Kommunikation auf Augenhöhe und vor allem eine bessere Blutzirkulation bzw. verbesserte Durchblutung der Beine. 

Exoskelette - Anwendung in Industrie und Militär

Zum Anwendungsspektrum des Exoskeletts gehört darüber hinaus der industrielle Sektor samt körperlich anspruchsvoller Tätigkeiten. Hierbei übernehmen die externen Stützstrukturen unterstützende Aufgaben. Ob am Montageband, in der Lagerhalle oder bei der Warenlieferung – Arbeitnehmer werden häufig physisch stark beansprucht, wenn sie Lasten über einen längeren Zeitraum hinweg heben, tragen und bearbeiten müssen. Indem sie Bewegungen mithilfe elektronischer, sensorischer und mechanischer Vorgänge nachahmen und damit verstärken, erleichtern Exoskelette ihren Trägern im industriellen Bereich die Arbeit. Infolgedessen werden mögliche Beschwerden – primär bei Rumpf- und Rückenmuskulatur – im Vorfeld verhindert und die Arbeitseffizienz erhöht. Schon heute nutzen einige Unternehmen der Logistik-Branche als auch der Automobilindustrie aktive sowie passive Exoskelette.

Mit Blick auf die sogenannte Industrie 4.0, die technologische Weiterentwicklung der industriellen Produktion, stellen Exoskelette eine nötige Zusammenführung von Mensch und Maschine dar. Es gilt, die menschliche Arbeit durch Technologie nicht nur effizienter und produktiver, sondern auch gesundheitsfördernd und nachhaltig zu gestalten.

Militärische Anwendungen ähneln denen der Industrie, da sich die Entwicklung auch hier in erster Linie auf den Transport schwerer Lasten konzentriert. Darüber hinaus sollen Soldaten und Angehörige des Militärs in Gefahrensituationen oder beim Marsch auf unwegsamem Gelände durch Exoskelette profitieren. Zwar sind heutige Prototypen nicht mit Modellen aus Science-Fiction-Universen zu vergleichen, doch der Innovationsdrang ist ungebremst und so ist zu erwarten, dass sich Stützstruktur und Rüstung in Zukunft immer mehr überschneiden.

Die Zukunft wird weitere Einsatzmöglichkeiten für Exoskelette mit sich bringen. So wurde beispielsweise schon 2014 an einem Konzept geforscht die externen Stützstrukturen / Außenskelette für Feuerwehrleute zu nutzen. Weitere denkbare Einsatzfelder für Exoskelette jeglicher Ausführung können beispielsweise der Pflegebereich, das Bauwesen oder andere physisch belastende Berufe sein. 

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