Von Aus der Forschung | Projekte und Unternehmen

Exoskelette einfach erklärt: Körperliche Unterstützung bei der Arbeit und im Alltag (mit Video)

Im September 2022 hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA auf der RehaCare-Messe so genannte Exoskelette vorgestellt, die bisher vor allem in industriellen Bereichen eingesetzt werden. Sie unterstützen Menschen dort bei körperlich anstrengenden Arbeiten, verhindern Fehlhaltungen und sollen so Muskeln und Gelenke entlasten. In Zukunft könnten sie immer häufiger auch ein Hilfsmittel für Menschen mit bestimmten körperlichen Behinderungen werden, sagt Urban Daub, Gruppenleiter der Forschungsgruppe für Angewandte Biomechanik am Fraunhofer-Institut. Ein Interview.

Urban Daub legt einer jungen Frau ein Schulterexoskelett an.

Herr Daub, der Begriff „Exoskelett“ klingt für Laien etwas technisch. Was steckt dahinter?

Ein Exoskelett ist ein Assistenzsystem, das direkt am Körper getragen wird. Es entlastet den Bewegungsapparat durch eine zusätzliche Kraftunterstützung. Unsere Muskeln und Gelenke sind auf dynamische Bewegungen ausgelegt, beispielsweise aufs Laufen. Wenn jemand aber immer wieder schwere Lasten heben oder den Bewegungsapparat lange in einer fast unbewegten Stellung halten muss, können die Muskeln schnell erschöpfen. Das kann ein Risiko für Verletzungen sein. Dem wirken Exoskelette entgegen.

Wo kommt diese Kraftunterstützung denn her? Werden Exoskelette mit einem Motor betrieben?

Mal ja, mal nein, es gibt passive und aktive Systeme. Die am weitesten verbreiteten industriellen Exoskelette arbeiten passiv. Sie haben Federn oder Expander, die unter mechanischer Spannung stehen und bei bestimmten Körperhaltungen ihre Energie wieder freisetzen. Dadurch geben sie bei bestimmten Bewegungen automatisch Kraft hinzu, die sonst die Muskeln im Körper allein aufbringen müssten. Bestimmte Körperbereiche werden so gezielt unterstützt und entlastet. Es gibt in dieser Kategorie noch weitere Unterschiede, manche Systeme haben etwa harte Schalen, manche bestehen fast nur aus elastischen Bändern und Bandagen. Letztere sind die so genannten soften Exoskelette oder – das ist der internationale Begriff – „Exosuits“. Es gibt aber immer häufiger auch aktive Systeme, die elektrisch betrieben sind.  

Wann ist welches System sinnvoll?

Das kommt darauf an. Wenn technische Maßnahmen oder eine Veränderung der Arbeitsabläufe nicht mehr ausreichen, um eine Person am Arbeitsplatz ausreichend zu entlasten, können Exoskelette eine gute zusätzliche Möglichkeit sein, egal, ob aktiv oder passiv. Aktive Exoskelette können aber vor allem dann sehr sinnvoll sein, wenn ein höherer Kraftaufwand bei einer Arbeit anfällt oder die benötigte Unterstützung individuell unterschiedlich ist. Das Exoskelett lässt sich nämlich viel genauer auf die Bedürfnisse der Person oder eine bestimmte Tätigkeit einstellen. Wenn etwa Gewichte stark variieren, also beispielsweise Pakete zwischen zwei und 25 Kilogramm bewegt werden müssen, kann die Unterstützung bei aktiven Systemen daraufhin angepasst werden. Mit solchen Anforderungen beschäftigt sich übrigens auch ein Teil unserer Forschung sehr intensiv.

Sie sagen, dass mit den Exoskeletten immer bestimmte Körperbereiche unterstützt werden. Es gibt also unterschiedliche Varianten, je nachdem, ob jemand zum Beispiel eher mit den Armen oder eher aus den Beinen arbeitet?

Ja, wobei die meisten Exoskelette darauf ausgelegt sind, den Oberkörper gerade und aufrecht zu halten – das sind die „Rückenexos“ – oder den Armen bei Überkopftätigkeiten die Last abzunehmen, das sind die „Schulterexos“. Es gibt darüber hinaus auch noch Systeme für den Nacken, den Daumen oder die Handkraft.

Bei welchen Arbeiten unterstützen die Rücken- und Schultersysteme?

Die Systeme für den Rücken werden dann eingesetzt, wenn schwere Bauteile oder Behälter angehoben oder abgelegt werden müssen, oder wenn jemand über längere Zeit in einer nach vorne geneigten Haltung arbeiten muss. Ein typisches Anwendungsfeld für Rückenexos ist zum Beispiel die Logistik, wie schon bei den aktiven Systemen erklärt: Dort müssen Menschen oft und häufig schwere Pakete heben und tragen. Die Schulter-Exoskelette helfen wiederum bei Tätigkeiten, bei denen die Arme lange oben gehalten werden, zum Beispiel bei Montage- oder Schweißarbeiten (→ siehe Video).

Wann gilt ein Exoskelett als „gelungen“, was muss es dafür alles erfüllen?

 Die Anwender:innen würden sagen: Das Exoskelett sollte am besten so gut wie gar nichts wiegen, beim Tragen nicht zu spüren sein, nicht einschränken und trotzdem möglichst stark unterstützen. Das klingt nach der sprichwörtlichen „eierlegenden Wollmilchsau“, die erst noch erfunden werden muss. So perfekt lässt sich das aus technischen Gründen natürlich nicht umsetzen – ein paar Kompromisse sind also immer nötig. Deshalb gibt es auf dem Markt derzeit auch mehr als 100 verschiedene Exoskelette zu kaufen: Keines ist rundum perfekt, jedes Einzelne löst aber für bestimmte Anwender:innen ganz konkrete Probleme und Anwendungsfälle sehr gut. Das bedeutet wiederum, dass jeweils das am besten geeignete Exoskelett gefunden werden muss.

Es gibt Exoskelette also schon in vielen verschiedenen Versionen und für fast jeden Anwendungsfall. Könnten sie dann nicht auch für Menschen interessant sein, bei denen es weniger um ein Verhindern von Verletzungen geht, sondern für die die unterstützende Funktion im Vordergrund steht – sprich, für Menschen mit einer körperlichen Behinderung?

Das ist ein sehr guter Gedanke. Exoskelette könnten tatsächlich Menschen mit Behinderungen im Berufsleben unterstützen, manchmal vielleicht sogar überhaupt erst eine Teilhabe ermöglichen. Auch die Exoskelett-Hersteller haben das erkannt, also dass in den Systemen noch eine ganz andere Chance abseits der industriellen Anwendung liegt. Menschen mit erworbenen oder angeborenen körperlichen Einschränkungen könnten davon nach meiner Einschätzung künftig sicher sehr profitieren – und so zum Teil entweder überhaupt wieder arbeiten können oder aber leichter.

Kennen Sie ein Beispiel, in dem das schon der Fall ist?

Ja, auf der Rehacare-Messe hatten wir in unserem Symposium „Technische Assistenz und berufliche Rehabilitation“ einen Vortrag, in dem es um einen Museumsmitarbeiter ging, der eine neurologische Erkrankung hat. Sein Beruf ist es, Scheren auf traditionelle Weise zu fertigen. Im Museumsbetrieb sind die Maschinen, die dafür verwendet werden, denkmalgeschützt. Technische Anpassungen daran, um ihm die Arbeit zu erleichtern, sind also ausgeschlossen. Seit über einem Jahr nutzt er bei seiner Arbeit nun ein Exoskelett, das seine Hand unterstützt und ihm so dabei hilft, die neurologisch bedingt fehlende Kraft auszugleichen. Laut seiner Aussage kann er seine Tätigkeit dadurch besser, länger und vor allem schmerzfrei ausführen. Dem Museum bleibt damit ein wertvoller Mitarbeiter erhalten – und er selbst kann seinen Job weiterhin ausführen. —

TIPP: Vergangenes Jahr haben wir für unseren Blog bereits mit Hans-Jürgen Schrage gesprochen, dem Scherenmonteur, um den es auch auf dem RehaCare-Symposium ging. Hier geht es zum Interview!

Über unseren Interviewpartner

Porträtfoto von Urban Daub
Foto: Fraunhofer-Institut

Über unseren Interviewpartner

Name: Urban Daub

Geburtsjahr: 1983

Wohn- und Arbeitsort: Stuttgart

Beruf: gelernter und studierter Physiotherapeut; Gruppenleiter der Forschungsgruppe Angewandte Biomechanik am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA); Fachlehrer für Orthopädie (in der Schule für Physiotherapie) an der Medizinischen Akademie des Internationalen Bundes (IB) Freier Träger der Jugend-, Sozial- und Bildungsarbeit e. V.

(Persönlicher Bezug zum Thema) Behinderung: hat als Physiotherapeut schwerpunktmäßig in der Orthopädie und Neurologie gearbeitet, betrachtet die individuellen Bedürfnisse von Menschen mit körperlichen Behinderungen aber nicht nur unter medizinischen Aspekten, sondern hört den individuellen Alltagsberichten zu: In welchen Situationen sucht und braucht jemand tatsächlich eine Unterstützung, und welche ist das genau?


Forschung für die Praxis: Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Urban Daub im Gespräch mit der Trägerin des Exoskeletts

Foto: LWL

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA mit seinem Sitz in Stuttgart ist das drittgrößte der 76 Institute und Einrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft. Seit mehr als zehn Jahren beschäftigt sich die Forschungsabteilung Biomechatronische Systeme mit medizinischen und industriellen Exoskeletten. Als unabhängiges Institut, das selbst keine Exoskelette oder andere Unterstützungssysteme verkauft, verfolgt es das Ziel, passende Lösungen für Menschen zu finden oder weiterzuentwickeln, die eine körperliche Unterstützung benötigen.

Urban Daub und seine Kolleg:innen besuchen seit Jahren verschiedene Arbeitsplätze und die dort arbeitenden Menschen, um Belastungen zu ermitteln, die ein besonders hohes Risiko für körperliche Beschwerden darstellen. Das Team arbeitet bei der Analyse nach orthopädischen, sport-, trainings- und arbeitswissenschaftlichen Prinzipien und erfasst außerdem die Rahmenbedingungen vor Ort, um passende Lösungen zu finden oder neu zu entwickeln.

image_printDruckansicht
Schließen