Exoskelette – Fortschritt in Industrie, Rehabilitation und Gesellschaft

Wer erstmals ein Exoskelett sieht, fühlt sich bisweilen an futuristische Szenarien aus prospektiven Büchern und in der Zukunft spielenden TV-Serien erinnert. Kein Zufall, so hört ein Modell auf den Namen Hal, bekanntermaßen der berühmte Bordcomputer aus Stanley Kubricks Kinoklassiker 2001. Exoskelette lassen Vorstellungen aus alten Science Fiction Geschichten wahr werden, die Fiktion evolviert zur greifbaren Innovation. Dem menschlichen Organismus nutzen die äußeren Stützstrukturen immens: In Industrie, Rehabilitation und im Alltag behinderter Menschen nimmt ihre Rolle stetig zu. Ob zur Entlastung bei Montagearbeiten oder beim Einsatz in der Therapie, der Mensch profitiert vom (noch sehr) kostspieligen technischen Fortschritt.

Wie funktionieren Exoskelette?

Exoskelette sind leistungsstarke Roboteranzüge, welche den Trägern Fähigkeiten verleihen, welche über das normale, biologisch limitierte Maß hinausgehen. Es wird beispielsweise möglich, mittels Hydraulik-gesteuerter Gelenke schwerer zu heben oder ausdauernder zu gehen. Die fortschrittlichen Modelle federn Belastungen ab, sie beugen damit Schäden vor, indem sie ihren Träger in schwierigen Haltungen unterstützen.

Besonders die Länder USA, Südkorea, Japan und Deutschland gelten als Vorreiter von Exoskeletten mit Antrieb. In diesen Nationen florieren Forschung und intensive Erprobung gleichermaßen. Praktisch besitzen die künstlichen Außenskelette die Form von tragbaren Robotern oder Maschinen. Eine Hauptaufgabe besteht darin, die Bewegungen des Trägers zu unterstützen und – wenn nötig – zu verstärken. Servomotoren treiben in solchen Situationen die Gelenke des Exoskeletts an.

Ihre stabile Hülle besteht aus leichten, aber widerstandsfähigen Materialien, weil die zusätzliche Gewichtsbelastung möglichst gering ausfallen soll. Der Rahmen trägt das Eigengewicht der Maschine, die Masse des Nutzers sowie die verbauten elektronischen Elemente. Sensible Sensoren registrieren die Bewegungen des Trägers, diese Impulse des Körpers übersetzt die interne Software in die Bewegungen des Exoskeletts. Die menschliche Intention gibt den Weg vor, welcher maschinell verstärkt beschritten wird.

Anfangs fand die Idee des Außenskeletts zur Leistungssteigerung vor allem Gefallen in militärischen Kreisen. Bald darauf drängte der zivile Nutzen der Geräte in den Vordergrund.

Wie so häufig in der menschlichen Geschichte, wurde die fortschrittliche Neuerung anfangs besonders von militärischen Institutionen forciert.

Schnell wurde der zivile Nutzen in der Industrie deutlich: Einerseits im Sinne des Menschen, um Überbeanspruchungen zu vermeiden. Andererseits wird es möglich, Leistungen zu erbringen, welche mit den normalen körperlichen Ressourcen kaum leistbar wären. Im Rahmen der Diskussion über die kommende Industrie 4.0 spielt das Thema Exoskelett bereits eine im wahrsten Sinne des Wortes tragende Rolle.

Therapeutischer Einsatz – Vorteile eines Exoskeletts

Neben der ergonomischen Steigerung körperlicher Leistungsfähigkeit hilft ein Exoskelett im medizinischen Kontext dabei, trotz Rückenmarksverletzung wieder mehr Mobilität zu erlangen. Einige Patienten profitieren bereits jetzt im Rahmen der Rehabilitation von den Hilfen, um etwa nach einem Unfall das Gehen wieder zu erlernen. Sie erlangen somit basale Fähigkeiten, überwinden Einschränkungen und Teile ihrer Behinderung.

Rehabilitation, Training und Partizipation stehen somit im Vordergrund, wenn die außen anliegenden Hilfsskelette Menschen unterstützen, die unter (angeborenen oder erworbenen) körperlichen Einschränkungen leiden. Als ein vorrangiges Ziel streben die Hersteller an, dass selbst gehbehinderte Menschen aufrecht stehen und sich bewegen sollen. Wertvolle Erfahrungen in einer auf Mobilität basierenden Welt, welche mit einem Rollstuhl nicht möglich sind.

Nutzen nach aktuellem Kenntnisstand:

• Psychologische Effekte:
  Steigerung von Selbstbewusstsein und Selbstvertrauen, neues Ich-Erleben, Gespräche mit dem jeweiligen Interaktionspartner auf Augenhöhe
• Stärkung der Knochenstruktur:
  Durch die Aktivität werden die Knochen beansprucht, dies beugt der gefürchteten Inaktivitätsosteoporose vor
• Physische Fortschritte:
  Kraft und Ausdauer profitieren
• Wohlbefinden:
  Entlastung innerer Organe, Verbesserung des Kreislaufs
• Schmerzreduktion:
  Im Zuge der unterstützten Stärkung können Schmerzen und Spasmen reduziert werden
• Vitalfunktionen:
  Die neuen Erfahrungen triggern Verdauung und Blasenfunktion vorteilhaft an
• Positive Gefühle:
  Es ruft bei vielen Menschen Glücksemotionen hervor, wenn sie nach einem langen Zeitraum wieder laufen und sich Teile ihrer näheren Umgebung erschließen können

Demgegenüber stehen Risiken, welche in der laufenden Diskussion ebenfalls ihren Platz finden:

1. Es ist zu bedenken, dass die Apparaturen den Menschen möglicherweise Bewegungen abverlangen, welche sie überfordern. Psychologisch sollte zudem eine (gefühlte) Fremdbestimmung von Trägern in Mensch-Maschine-Systemen thematisiert werden.
2. Eine Frage der Sozialen Gerechtigkeit tritt ebenfalls in den Vordergrund: Können für alle beeinträchtigten Menschen High Tech-Hilfsmittel finanziert werden? Ein hoher Kostenfaktor, denn Exoskelette können bis 100.000€ verschlingen. Erste Hinweise vermitteln ein vorsichtig optimistisches Bild: Der Spitzenverband der Gesetzlichen Krankenversicherung nahm Roboteranzüge bereits in das Hilfsmittelverzeichnis gemäß § 139 SGB V auf.

Impressionen: Rehabilitation mit ReWalk

In der Realität bewährten sich die Roboteranzüge bereits im Rahmen der Rehabilitation. Argo Medical Technologies verfolgt in diesem Bereich das Ziel, den Gesundheitszustand und gleichzeitig die Lebenserfahrung stark beeinträchtigter oder gar gelähmter Menschen zu verbessern. Im Werbevideo zeigt das Unternehmen, wie ihr Modell Rewalk sich in der Praxis verhält. Im Vordergrund steht der deutliche Kontrast zur bisherigen Lebenswelt querschnittsgelähmter Menschen. Einige Experten sprechen daher bereits von einer Revolution in der Medizin.

Rehabilitationsrobotik – interdisziplinäre Forschung

Sogenannte Rehabilitationsrobotiker widmen sich der Konstruktion von Exoskeletten für therapeutische Zwecke, viele Ideen kommen bei der Behandlung von Querschnittsgelähmten zum Tragen. Sie erlagen mit den Roboteranzügen die Kontrolle über ihre unteren Extremitäten – und in diesem Prozess ihre Mobilität – zurück.

Die Rehabilitationsrobotik stellt ein interdisziplinäres Forschungsgebiet dar, es eint Inhalte aus Elektrotechnik, Maschinenbau, Informatik, Biomedizinische Technik, Neurowissenschaften und Rehabilitationswissenschaften. Bereits in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts begannen Wissenschaftler fachübergreifend damit, damals extrem futuristisch anmutenden Ideen in reale Formen zu transformieren.

Überblick: Forschungsthemen der Rehabilitationsrobotik

• Kinematikentwicklung
• Robotersteuerung & -regelung
• Haptische Systeme
• Mehrkörperdynamik
• Biomechanik
• User-Interface-Gestaltung
• Biofeedback
• Bewegungsanalyse

Exoskelette in der Industrie: das Beispiel Volkswagen

Im Jahr 2018 testete Volkswagen erstmals die innovativen Roboteranzüge des Herstellers Ottobock

Im industriellen Kontext stellen Exoskelette sicher, dass körperlich anspruchsvolle Tätigkeiten erleichtert werden. Ein bedeutsamer Ansatz: So sollen laut der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) körperliche Fehlbelastungen beim Heben und Tragen im Beruf für 23 % aller durch Krankheit begründeten Fehlzeiten in Deutschland verantwortlich zeichnen.

Vor allem die aus ergonomischer Sicht so belastenden Überkopfarbeiten verlangen Unterstützung. Intelligente maschinelle Hilfen zielen im Rahmen der Fertigung auf die oberen Extremitäten ab. Streben und Seilzüge kommen in fortschrittlichen Arbeitswelten zum Einsatz, sie verteilen das zusätzliche Gewicht gleichmäßig und schonend.

Einsätze im Industriesektor finden erst seit kurzer Zeit statt. Als Pionier in diesem Bereich gilt Volkswagen: Bereits seit dem Jahre 2012 beschäftigt sich der Konzern mit den Möglichkeiten und Chancen außen anliegender Skelette. Denn während der Montage der Fahrzeuge fallen viele körperlich herausfordernde Überkopf- und Überschulterarbeiten an. Damit diese Belastungen des Muskel-Skelett-Systems verringert werden, startete der Autohersteller im Juni 2018 mit dem Exoskelett Paexo ein Pilotprojekt im slowakischen Bratislava.

Dessen Ziele umfassten einerseits die praktische Erprobung des Exoskeletts in Hinblick auf das Tempo und die Qualität der Ausführung. Gleichzeitig stand die Verbesserung der Gesundheit der Arbeiter im Vordergrund, es galt, ihre Muskeln sowie ihr Skelett bei körperlich anstrengenden Tätigkeiten wirkungsvoll zu schonen. Somit trägt die Innovation dazu bei, krankheitsbedingte Fehlzeiten zu senken. Zur Erprobung während der Fertigung erhielten 30 Mitarbeiter des Volkswagen-Werks das Exoskelett Paexo.

Fakten zum Exoskelett Paexo

• Gewicht: 1,9 Kilogramm
• Befestigung: Das Exoskelett wird wie ein Rucksack angelegt und an den Oberarmen festgeschnallt
• Funktion: Der Arm transformiert sich durch die Unterstützung des externen Skeletts zum Roboterarm, dadurch wird es leichter, Bauteile an Fahrzeugen über dem Kopf zu installieren
• Ziel: Erleichterung von körperlich ambitionierten Arbeiten, Reduktion von gesundheitlichen Beeinträchtigungen

Die ersten Erfahrungen fielen positiv aus, sodass VW plant, Exoskelette in der Serienproduktion zu verwenden. Rund 80% der 30 Personen, welche das Außenskelett nutzen, sind von dem Modell mit seinem vergleichsweise geringen und gleichmäßig verteilten Gewicht überzeugt. Seitdem führt VW Gespräche mit dem Hersteller des Exoskeletts (Ottobock aus Duderstadt).

Der Ansatz gilt als Musterbeispiel für innovative Ergonomie am Arbeitsplatz. Mit den anvisierten Optimierungen soll es möglich werden, dass die beschäftigten Menschen ihre Lebensarbeitszeit bei bestmöglicher Gesundheit effizient leisten.

Video: Arbeiten mit Roboteranzügen bei VW

Assistenzsysteme & Außenskelette bei BMW

Alleine steht Volkswagen mit dem Einsatz von Exoskeletten nicht: BMW erprobt die technischen Hilfen ebenfalls. Insgesamt 68 Exoskelett-Westen setzt die Marke im US-Werk Spartanburg bereits serienmäßig ein, sie dienen als Assistenzsystem bei anstrengenden Überkopfarbeiten.

Seit dem Jahr 2017 verwendet BMW in Deutschland Exoskelette für den Unterkörper, sie fungieren als entlastende Sitzhilfe. Ihr Einsatz ist freiwillig, diese Wahlfreiheit begünstigt die Akzeptanz der neuen Technik. Noch dominiert Lernaspekt, neben ersten Erfolgen stehen Verbesserungen bei den Exoskeletten für den Ober- und Unterkörper im Fokus.

LG präsentiert 2019 Serviceroboter und Exoskelette

Im Rahmen der CES 2019 präsentierte LG verbesserte Varianten seiner intelligenten Serviceroboter und Exoskelette. Die sogenannten CLOi-Produkte umfassen eine Art robotisiertes Exoskelett. Die Entwicklung ist weit fortgeschritten, laut Angaben des Herstellers stehen die Modelle kurz vor der kommerziellen Verfügbarkeit. Eine Batterieladung ermöglicht dabei vier Stunden Roboterleistung, das Aufladen dauert etwa 60 Minuten.

In den Fertigungseinheiten des Elektronikriesen schützt der LG CLOi SuitBot die Arbeiter davor, sich durch zu schnelle Ermüdung dem erhöhten Risiko einer Verletzung auszusetzen. Am Körper getragen, stützen die Geräte die Wirbelsäule. Bei körperlich fordernden Inhalten verstärken sie zudem die Muskelkraft des Anwenders.

Besonders die Flexibilität der Geräte beeindruckt: Die Mechanik leistet bei Bedarf eine Drehung um 50 Grad sowie eine Beugung um 90 Grad. Automatisch aktiviert sich die Unterstützung dann, wenn sich ein Arbeiter in einem Winkel von 65 Grad beugt. Sobald dieser eine aufrechte Postion wiedererlangt, schaltet sich die zusätzliche Kraft ab.

Seitenblick: Besonders smart sollen sich die Serviceroboter verhalten: Sie sind zum Einsatz in Flughäfen, Hotels, Supermärkten und Einkaufszentren entworfen worden. Ob Hilfe beim Transport oder Lieferung von Nahrungsmitteln, ihr verbessertes autonomes Navigationssystem – es umfasst auch die Kommunikation mit Türen – vereinfacht die Abläufe. Künstliche Intelligenz ermöglicht den Robotern die Kundenanalyse, mittels Touchdisplay und Spracherkennung reagieren die Roboter laut LG auf Fragen der Kunden. Selbst Zahlungsvorgänge sind möglich.

Integration der Roboteranzüge in den Alltag?

Noch ist die Diskussion darüber im Gange, inwieweit sich die neue, noch sehr kostspielige Hilfstechnologie sinnvoll in den Alltag sowie in die Arbeitsabläufe kleinerer Betriebe integrieren lässt.

Parallel zu den genannten Feldern wird über den Transfer der technischen Hilfen in den Alltag diskutiert: Ob Wände streichen, Hecken schneiden, Montagearbeiten an der Decke oder anstrengende Arbeiten auf Kopfhöhe im Allgemeinen – mit einem für diese Zwecke optimierten Exoskelett lassen sich physiologische Belastungen mindern.

Gleichwohl: Aufgrund der noch hohen Fertigungs- und Anschaffungskosten spielt der Alltag derzeit eine geringe Rolle. Kleine Betriebe mit begrenztem Budget wären mit den Anschaffungskosten ebenfalls überfordert. Dennoch nimmt die praktische Relevanz zu; erste Versuche im Sport fanden 2018 im Rahmen des Skisports statt. Es ist zu vermuten, dass sich die Roboteranzüge mit einer zunehmenden gesellschaftlichen Akzeptanz und einer günstigeren Marktlage allmählich in weiteren Feldern etablieren.

Hersteller von Exoskeletten

• Argo Medical Technologies (ReWalk)
• Cyberdyne (Hal)
• Ekso Bionics (Ekso)
• Parker Hannifin Corporation (Indego)
• Rex Bionics (Rex)
• Raytheon (XOS)
• Lockheed Martin (HULC)
• Panasonic (Powerloader)
• Pecro (Body Extender)
• Hyundai (Hyundai Waist Exoskeleton [H-WEX])

In Deutschland überzeugte, wie oben dargestellt, das Exoskelett Paexo des Herstellers Ottobock aus Duderstadt im Rahmen eines Testlaufs bei Volkswagen. Vor allem anatomisch belastende Überkopfarbeiten fielen den Arbeitern leichter.

Mit German Bionic Systems (CBS) sitzt ein weiterer lokaler Anbieter in Augsburg. Dieser fertigt als erster hiesiger Hersteller Exoskelette in Serie an. Inhaltlich liegt der Nutzen der Modelle Cray X bei der manuellen Handhabe von Gütern und Werkzeugen. Ganz konkret geht es darum, das Heben schwerer Lasten zu erleichtern. Besonders der unterere Rückenbereich profitiert, weil sich während belastender Tätigkeiten der Kompressionsdruck deutlich verringert.

Über sechs Jahre Entwicklungszeit gingen der Produktion voran. Gewicht und Energieverbrauch markierten dabei immer wieder sensible Themen. Cray X soll nun in Situationen helfen, in welchen die menschliche Arbeit nicht sinnvoll durch Vollautomatisierung oder Robotik-Systeme ersetzt werden kann (Pflege, Bau, Logistik).

Ergoskelette

Eine definitorische Angrenzung beinhaltet der Begriff Ergoskelett. Formal als Unterkategorie von Exoskeletten konzipiert, bezeichnet er solche Modelle, welche überwiegend körperlich tätige Menschen entlasten. Beim Heben schwerer Lasten schützen Ergoskelette die Gesundheit des Personals, es geht um Prävention und Erhalt.

In der Praxis werden beide Begriffe allerdings oft synonym genutzt. Zur Unterscheidung gilt: Jedes Ergoskelett ist ein Exoskelett, aber nicht jedes Exoskelett weist die Funktion eines Ergoskeletts auf.

Fortschritt & Probleme der Roboteranzüge

Das Design moderner Exoskelette unterliegt einem steten Wandel, die Innovation wird permanent getestet und optimiert: So erinnerten viele Modelle bis zum Jahr 2015 an gepolsterte und hoch-technisierte Hosen. Vom unteren Rippenbogen bis zu den Fußsohlen umschloss der bewegliche und leichte Rahmen den Träger.

In einer Art Rucksack verstauten die Hersteller Steuerung und Elektronik, sodass sich zusätzliches Gewicht auf dem Rücken befand. Neue Generationen benötigen diesen Ballast nicht mehr, das verbesserte Design verschlankt die Konstruktion, gleichzeitig reduziert sich das Gewicht nochmals.

Parallel zum Bemühen, die außen anliegenden Skelette im Gewicht zu reduzieren, forschen einige Firmen an Exoskeletten ohne Antrieb. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Belastungsverletzungen beim Arbeiten mit schweren Werkzeugen zu verhindern. Ein einfaches Prinzip steckt dahinter: Jenes Gewicht, welches auf den Arbeiter einwirkt, soll – falls der Mensch steht oder kniet – über das entsprechend geformte Exoskelett in den Boden abgeleitet werden.

Aus den bis jetzt vorliegenden Erfahrungen speisen sich aber bereits Verbesserungen, frische Ideen und bisweilen pragmatische Modifikationen. Denn besonders die kritischen Aspekte benötigen Aufmerksamkeit; zu nennen sind gleich mehrere Aspekte.

Probleme bei der Arbeit mit Exoskeletten:

• Gewichtsbelastung der Tragenden
• Punktueller Druck der Auflagefläche
• Anpassung an die individuellen Körpermaße der Arbeiter
• Gefühl der maschinellen Fremdbestimmung
• Hohe Kosten der Fabrikation
• Energieverbrauch (Einsatzdauer)
• Akzeptanz bei der Belegschaft
• Identifikation geeigneter Arbeitsplätze
• Schulung nötig

Es gilt Chancen und Grenzen des sensiblen Themas zu beleuchten. Nur die Kenntnis darüber, in welchen Szenarien ein Exoskelett nachteilige Effekte nach sich zieht und in welchen Situationen die Roboteranzüge eine ergonomische Lösung bieten, hilft auf Dauer in Industrie, Therapie und Alltag weiter.

Zusammenfassung & Ausblick

Technischer Fortschritt durch künstliche Intelligenz, Roboter und maschinelle Hilfen ändert Industrie und Gesellschaft grundlegend

Die sogenannte Industrie 4.0 steckt voller Dynamik, ihre Inhalte wandeln sich sukzessiv von der Vision zur Realität. Neben der Digitalisierung und dem Einsatz der künstlichen Intelligenz steht die anspruchsvolle Aufgabe, körperlich schwere Arbeiten ergonomischer zu gestalten, im Vordergrund. Effizienz und Schonung humaner Ressourcen spielen idealerweise fortschrittlich zusammen. Die Rolle futuristischer Exoskelette fällt bedeutsam aus: Mittel- und langfristig sind die Assistenzsysteme aus zeitgemäßen ergonomischen Strategien nicht mehr wegzudenken.

Mensch-Maschinen – einst in den 70er Jahren von den Technopop-Pionieren Kraftwerk beschworen – verankern sich in der Gesellschaft. Sie finden ihren Platz, wenn keine ergonomisch sinnvolleren Alternativen existieren. Das Ziel: Arbeitsbedingte Beschwerden des Muskel-Skelett-Apparates vermeiden. Im Gegensatz zu jenen inneren Bildern, welche SF-Bücher, Comics und Kinofilme beschwören, geht es nicht darum, produktive „Übermenschen“ zu generieren. Vielmehr soll die Idee Arbeitnehmer mittels physischer Ergonomie-Unterstützung schützen.

Ausgehend von einer ursprünglich militärischen Idee, erstreckt sich der Nutzen der verschiedenen Exoskelette weit über das Segment der Industrie hinaus: Die Anwendung von Roboteranzügen stiftet in Rehabilitation und Therapie Sinn, sie erleichtert vielen Menschen das Leben. Von der Kostenfrage abgesehen, geht es zukünftig darum, die Wirkungen und Folgen langfristig zu erfassen, um daraus einen konkreten und realistischen Nutzen abzuleiten.