Das Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE gehört zu den Forschungseinrichtungen im neuen Themengebiet der physischen Assistenzsysteme. Mit Hilfe dieser Exoskelette soll die körperliche Leistungsfähigkeit von Menschen zukünftig deutlich erweitert werden. Projektleiter Christian Plegge hat in einem Forschungsprojekt die künftigen Einsatzmöglichkeiten untersucht und macht »enorme Potenziale« aus.

Hallo Herr Plegge, Sie arbeiten am Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE an einer Studie zu physischen Assistenzsystemen.

Physische Assistenzsysteme werden immer bedeutender. Deshalb verschaffen wir uns einen Überblick über aktuelle Entwicklungen und eruieren, in welchen Bereichen sie einen Mehrwert bringen. Immerhin können Menschen durch die Assistenzsysteme zusätzliche Kräfte aufbringen und neue Bewegungsmöglichkeiten erlangen.

Mit physischen Assistenzsystemen meinen Sie also letztlich Exoskelette wie etwa bei Iron Man oder ähnlichen Science-Fiction-Filmen, in denen der Held einen Technikanzug angelegt, um zu einer Art Superman zu werden?

Das ist die Vorstellung in Hollywood. In der Realität haben wir es ganz sachlich mit einer Ergänzung menschlicher Kraft und Bewegungsfähigkeit zu tun.

Wo sind physische Assistenzsysteme heute bereits im Einsatz?

Es gibt drei wesentliche Anwendungsbereiche: Der eine ist der medizinische Anwendungsbereich. Hier werden sie vor allem in der Rehabilitation als Trainingsgerät eingesetzt, um verloren gegangene Bewegungsmuster zu trainieren oder grundlegend Bewegung zu ermöglichen. Die Exoskelette werden dabei an die Gliedmaßen geschnallt. So können etwa Schlaganfall-Patienten, die halbseitig gelähmt sind, mit Hilfe eines Exoskeletts wieder laufen lernen.

Ein anderer Anwendungsbereich dürfte beim Militär liegen?

Dabei geht es um Mobilitätsunterstützung für spezielle Aufgaben. Hier werden Exoskelette entwickelt, mit denen Menschen schwere Kisten tragen und dabei trotzdem agil durch unwegsames Gelände marschieren können. Keinesfalls soll der Soldat in einen Technikanzug gesteckt werden. Eine dritte wichtige Anwendungsmöglichkeit ist der Einsatz von Exoskeletten im Bereich der Industrie. Vor allem in der manuellen Produktion und Fertigung. Hier geht es um die partielle Entlastung von Körpersegmenten oder Körperregionen, um bestimmte Handgriffe zu erleichtern.

Lassen sich aus der Studie erste Trends ableiten?

Aus unserer Sicht sind kleine, kompakte Systeme vielversprechend, die »nur« einzelne Bewegungen und Körperregionen unterstützen. Ein gutes Beispiel sind Exoskelette, die vor allem das Knie unterstützen.

Wird es damit Superläufer geben?

Das kann ich mir im Moment schlecht vorstellen. Denn bei extremen Bewegungsformen wie Rennen und Springen wird viel mechanische Leistung bei hohen Bewegungsgeschwindigkeiten benötigt. Das Drehmoment im Knie beläuft sich zeitweise auf 500 Nm und mehr. Hier mit einem kleinen, schlanken Antrieb eine nennenswerte Unterstützung bereitzustellen, ist technisch äußerst herausfordernd. Aktuell arbeitet die Medizin mit Exoskeletten, die ca. 60­–100 Nm leisten. Aber hier geht es auch nicht um Superkräfte, sondern um das situationsgerechte Bereitstellen von Unterstützungsleistung, um allmählich normale Körperbewegungen zu ermöglichen. Gerade in diesem Bereich sehen wir Potenzial für die Medizin. Wir haben eine größere biomechanische Messreihe durchgeführt, um die wirkenden Kräfte und Beanspruchungen zu erfassen. Daraus lassen sich Verbesserungsvorschläge für künftige Exoskelette ableiten, sodass z.B. nicht die Ermöglichung von Bewegung, sondern auch die Bewegungsqualität durch Exoskelette gesteigert werden kann.

Ein Problem ist wohl auch die anatomische Anpassung an den jeweiligen Nutzer.

Richtig. Wenn beispielsweise die Gelenkachsen von Exoskelett und Körper nicht übereinstimmen, entstehen Blindleistungen. Und diese müssen durch zusätzliche Energiespeicher kompensiert werden.

Wie funktioniert die Steuerung?

Im medizinischen Bereich gibt es Systeme, die auf Muskelsignale reagieren. Häufig arbeiten Exoskelette aber auch über kinematische Sensorik, also beispielsweise Gelenkwinkelsensoren. Durch Sensorik des Exoskeletts, lassen sich zudem gewünschte Bewegungen vorhersagen, die dann entsprechend unterstützt werden können. Generell gehört die Steuerung zu den größten Schwierigkeiten, vor der die Entwicklung steht. Wenn wir von einer normalen Schrittfrequenz von 100–130 Schritten pro Minute ausgehen und dabei berücksichtigen, dass bei jedem Schritt eine Vielzahl an Bewegungen ausgeführt werden und wir die vorhandene Energie möglichst punktgenau einsetzen müssen, lässt sich die Dimension vielleicht erahnen. Deshalb arbeiten wir in diesem Bereich.

Was werden Exoskelette in zehn Jahren leisten können?

Es wird zunächst darum gehen, die Kosten zu senken, um physische Assistenzsysteme in der Breite finanzierbar zu machen. Danach werden Exoskelette unter anderem Menschen dabei helfen, auch im hohen Alter beweglich zu bleiben.

Aber der Iron Man wird auf sich warten lassen?

Davon müssen wir ausgehen.

(aku)

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Christian Plegge
  • Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE
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