Vor Kurzem bekam eine Gruppe Kinder, die an einer seltenen neurologischen Krankheit leidet, zum ersten Mal im Leben die Gelegenheit, dank eines neuen technisch gestützten Exoskeletts, selbständig zu gehen. Diese Geräte – die im wesentlichen Robotikanzüge sind, die künstlich die Bewegung der Glieder eines Nutzers steuern – müssen immer einfacher handhabbar werden. So kann Leuten, die ihre Beine nicht mehr nutzen können, dabei geholfen werden, wieder zu gehen. Doch während Exoskelette von heute größtenteils plumpe, schwere Geräte sind, könnte eine neue Technologie sie viel leichter und selbstverständlicher machen – wenn man sie wie eine zweite Haut designen würde. Exoskelette wurden in den 1960er Jahren entwickelt. Das erste dieser Art war eine sperrige Konstruktion aus Beinen und klauenähnlichen Handschuhen, die an den Superhelden Iron Man erinnerten. Der Anzug sollte hydraulische funktionieren und es Arbeitern ermöglichen, Hunderte von Kilogramm des normalen Gewichts zu heben. Das hat zwar nicht funktioniert, doch seitdem wurden andere Designs für Ober- und Unterkörper entwickelt, die mit Erfolg angewandt wurden, um die menschliche Kraft zu steigern, ihre Gliedmaßen zu benutzen oder mit Hilfe von Computern Dinge zu berühren und zu fühlen. Die Gliedmaßen werden durch technische Gelenke angetrieben, die den Knochen und Gelenken des Nutzers angepasst wurden. Die Verbindungen werden an den Gliedmaßen des Benutzers festgeschnallt. Wenn die angetriebenen Gelenke aktiviert werden, veranlassen sie die Gliedmaßen, ihre Gelenke zu beugen. Die Kontrolle des Exoskelettes kann durch einen Computer durchgeführt werden, beispielsweise während einer betreuten Krankengymnastik oder durch Überwachung der elektrischen Tätigkeit in den Muskeln des Benutzers, die die körpereigene Kraft verstärken und diese an die Gliedmaßen weitergeben.

Schwer und schmerzhaft

Doch trotz einem halben Jahrhundert der Forschungstätigkeit sind Exoskelette noch nicht weit verbreitet. Dies liegt vor allem daran, dass es in der Regel sehr unangenehm ist, sie als für längere Zeit zu tragen, da sich die standardisierte Anzuggröße kaum an unterschiedliche Körper anpassen kann. Einige Exoskelette sind so ausgelegt, dass sie an den Körper eines Patienten angepasst werden können. Wenn aber die Robotikgelenke und die realen Gelenke des Benutzers sich nicht in genau der gleichen Position befinden, können unnatürliche Bewegungen zu Beschwerden oder Schmerzen führen. Dies wird noch verschlimmert durch die Steifheit der einzelnen Teile des Anzugs. Ein weiteres Problem, das besonders bei Oberkörper-Exoskeletten auftritt, ist das Gewicht. In der Regel müssen schwere Materialien verwendet werden, um das Körpergewicht und die leistungsstarken Antriebe zu unterstützen, die die Gelenke bewegen. Die Anzüge sind auch nicht dafür konzipiert, dass sie auch mit Temperaturänderungen oder Regen umgehen können – insgesamt also Bedingungen, die es schwierig machen, sie im Alltag zu verwenden. Und das Design, das bislang ebefalls kein vorrangiges Anliegen der Entwickler war, kann die Träger noch weiter ausgrenzen, als sie es ohnehin schon erleben.

Um Exoskelette praktischer und attraktiver zu machen, brauchen wir Innovationen, damit sie eher zu einer „zweiten Haut“ werden, als zu einem riesigen Roboter-Anzug. Exoskelette nutzen in der Regel schwere Elektromotoren, aber leichte Antriebe, die im Prinzip wie pneumatische Muskeln betrachtet werden. Diese können ähnliche Kräfte wie Elektromotoren produzieren, jedoch zu einem Bruchteil des Gewichts. Die Muskeln bestehen aus einer Gummiblase, die von einer Gewebeummantelung umgeben ist. Wenn Druck eingesetzt wird, vergrößern sie sich im Durchmesser in der Länge, um das Gelenk zu ziehen. Sie sind aus leichten Materialien hergestellt, aber erzeugen die Kraft, die man benötigt, um viele hundert Kilogramm zu heben.

Weiche Robotertechnik

Dennoch müssen auch diese Leichtgewichte noch an eine starre, mechanische Struktur angebracht werden, die an den Nutzer angeschnallt werden muss. Ich und meine Kollegen der Universität Salford vom Zentrum für Autonome Systeme und Robotertechnik entwickeln eine Alternative: die sogenannte weiche Robotiktechnik. Diese Technologie verwendet angenehm weiche, aber fortschrittliche Materialien, um ähnliche Aufgaben wie die der traditionellen starren Robotikgeräte auszuführen. Sie werden besonders aufgrund der Wechselwirkung mit den Menschen gut an den Körper angepasst, da sie nicht viel wiegen. Dies bedeutet, dass sie – sollte der Träger mit einer anderen Person kollidieren – kaum Verletzungen verursachen.

Kürzlich haben wir einen neuen “weichen Dauerantrieb” entwickelt – ein Gelenk, das sich wie der Rüssel eines Elefanten biegt. Anders als traditionelle Robotergelenke, die starr bleiben, wenn sie auf Widerstand stoßen, wird dieses Gelenk an einer beliebigen anderen Stelle beweglich sein. Indem wir einen hautengen Anzug mit diesen Auslösern ausstatten, können wir ein weiches Exoskelett erschaffen, das sich an der genauen Position der Gelenke des Trägers biegt. Das bedeutet, dass der Anzug verschiedenen Benutzern bequem passen wird, ohne dass mechanische Anpassungen oder Kalibrierungen vorgenommen werden müssen. Zudem ist das System leicht und kann wie Kleidung ohne ein sperriges mechanisches Gerüst getragen werden. Exoskelette werden erst jetzt auf dem freien Markt verkauft, und wir werden wahrscheinlich in den nächsten Jahren noch mehr von ihnen mitbekommen. Im Jahr 2012 hat die querschnittsgelähmte Claire Lomas sogar den Londoner Marathonlauf mithilfe eines Exoskeletts vollendet. Doch es gibt noch bedeutende technische Herausforderungen, die gelöst werden müssen, bevor wir den weit verbreiteten Gebrauch dieser Systeme erleben werden. Zu allererst einmal brauchen wir eine Möglichkeit, den Anzug anzutreiben, ohne dass er jede halbe Stunde aufgeladen werden muss. Dieser Artikel erschien zuerst auf “The Conversation” unter CC BY-ND 4.0. Übersetzung mit freundlicher Genehmigung der Redaktion.

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Image (adapted) „Welle: Erdball im Anker Leipzig“ by Danny Sotzny (CC BY-SA 2.0).

Image „Prototype soft exoskeleton glove“ by Steve Davis.

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Schlagwörter: exoskelett, Forschung, Körper, medizin, Robotik, Zukunftstechnologien