Exoskelette unterstützen den Nutzer

Autor: Armin Scharf

Wer stundenlang Akustikplatten an die Decke montiert, braucht eine brachiale Konstitution. Da kann der Akkuschrauber noch so leicht sein – allein die Körperhaltung wirkt sich ausgesprochen belastend aus. Gleiches gilt für monotone Arbeiten am Band oder für Pflegekräfte, die immer wieder schwere Patienten heben müssen. Exoskelette könnten hier wertvolle Entlastung bringen.

Bewegungen werden unterstützt

Ein Exoskelett unterstützt den Nutzer – kräftemäßig wie auch in der Haltung – was sich entweder in geringerer Ermüdung ausdrückt oder in größerer Leistungsfähigkeit. Die Übergänge sind fließend, wie schon immer bei Maßnahmen zur Verbesserung der Arbeit. Im Prinzip handelt es sich bei einem Exoskelett um ein zusätzliches, direkt am Körper getragendes Gerät, das bestimmte Bewegungen unterstützt oder Lasten ableitet. Prinzipiell unterscheidet man dabei zwei Arten, die aktiven Exoskelette mit motorischer Ausrüstung und die passiven Typen, die z. B. auf Federkraft basieren.

Ursprünglich kommt die Idee einer leistungsstärkenden, künstlichen Muskelschicht aus dem militärischen Kontext. Soldaten sollen durch komplexe Exoskelette schneller und ausdauernder werden oder erweiterte sensorische Fähigkeiten bekommen. Der zweite große Anwendungsbereich stellt die Medizin dar, hier werden Exoskelette entwickelt, die querschnittsgelähmte Menschen wieder mobilisieren, Muskelerkrankungen ausgleichen oder die Bewegungsfähigkeit nach Schlaganfällen wieder herstellen können. Sowohl Militär wie Medizin nutzen zumeist aktive Systeme.

Exoskelette in der zivilen Arbeitswelt

Inzwischen tauchen Exoskelette vermehrt in der zivilen Arbeitswelt auf. Anfang des Jahres präsentierte Ottobock Industrials, ein Ableger des Prothesenherstellers Ottobock, sein passives, also motorloses Modell „Paexo Shoulder“. Entwickelt wurde es über sechs Jahre, ursprünglich für Arbeiter eines Autoherstellers, die den ganzen Tag Heckklappen einbauen müssen. Offenbar erkannte man bei Ottobock schnell ein viel größeres Potenzial, vor allem im Handwerksbereich. Tatsächlich kommt, so das Unternehmen heute, eine starke Nachfrage von Trockenbauern, Malern, Elektrikern, Sanitärfirmen, Heizungs- und Lüftungsbauern. Eine vierstellige Zahl des Exoskelettes sei schon produziert, so Gesa Liss von Ottobock. „Paexo Shoulder“ entlastet vor allem den Schulterbereich bei Überkopfarbeiten: „Das Gewicht der erhobenen Arme wird über die Armschalen mithilfe einer mechanischen Seilzugtechnik auf die Hüfte abgeleitet“. Ab einer Armhebung von 60 Grad nimmt die Unterstützung deutlich zu. Dabei soll das mit 1,9 Kilogramm leichte Gerät die Bewegungsfreiheit der Nutzer nicht einschränken – in engen Situationen jedoch könnten sich die vertikalen Streben und Gelenke als störend erweisen. Je nach Last, Armgewicht und persönlichem Bedürfnis lässt sich die Unterstützung variieren, eine integrierte Skala erleichtert die Wiederjustierung, wenn der Kollege das Exoskelett zwischendurch nutzte. Denn das Gerät ist ausdrücklich für die Nutzung durch mehrere Personen gedacht, das Anlegen über der Arbeitskleidung soll nur 20 Sekunden beanspruchen. „Beim ersten Testen sind die Mitarbeiter sehr neugierig, oftmals auch skeptisch“, beschreibt Gesa Liss die Annäherung. „Nach dem Test gehen jedoch die Arme samt der Mundwinkel nach oben“. Das hat seinen Preis: Mit 4900 Euro steht „Paexo Shoulder“ in der Liste, alternativ bietet das Unternehmen auch ein Leasingmodell.

Aktive Hebehilfe

Aus Augsburg kommt derweil ein anderes Exoskelett namens „Cray X“. Entwickelt, produziert und vertrieben wird es von German Bionics, die dafür schon diverse Auszeichungen erhielten. Verglichen mit diesem Modell wirkt „Paexo Shoulder“ ausgesprochen filigran, „Cray X“ ähnelt einem Rucksack mit Ausbuchtungen auf Hüfthöhe und Verlängerungen zu den Oberschenkeln. Konzipiert ist es dafür, den unteren Rücken des Nutzers oder der Nutzerin beim Heben schwerer Lasten aus ungünstigen Positionen zu entlasten. Dies erledigen Sensoren und die Motoren in den erwähnten Hüftgelenken, Steuereinheit samt Akku für acht Stunden Laufzeit befinden sich auf dem Rücken. Die aktive Form der Unterstützung hat ihren Preis: Erstens wiegt das Exoskelett acht Kilogramm und soll 40.000 Euro kosten.

Entspannt in der Hocke

Günstiger dürfte der „Chairless Chair“ zu haben sein, den Noonee vor allem für industrielle Montagen in Hockposition anbietet. Fünf Kilo wiegt das passive Exoskelett, das um die Hüfte gebunden und mit den Fersen verbunden, in der Hocke zu einer Sitzhilfe wird. Die ist zwar statisch stabil, aber Arbeitsmediziner geben zu bedenken, dass ein Umkippen durch äußere Einflüsse möglich ist.

Überhaupt sind Arbeitsmediziner eher skeptisch, was den Einsatz von Exoskeletten betrifft (siehe Kasten). Viel sinnvoller sei es, die jeweiligen Arbeitsplätze so zu verbessern, dass einseitige Belastungen überhaupt nicht auftreten können. Ein Einwand, der bei stationären Arbeitsplätzen am Band oder in der Werkstatt sicher zählt, aber gerade auf Baustellen so einfach nicht umsetzbar ist. Spätestens hier können Exoskelette einen Lösungsansatz bieten. Zu bedenken ist aber, dass die Entlastung einer Körperpartie auf Kosten einer Belastung an anderer Stelle geht – und sich unterschiedlich auswirkt. Ottobock etwa gibt an, dass „Paexo Shoulder“ die Muskulatur um 55 Prozent entlasten kann, allerdings den Kreislauf nur um 21 Prozent. Denn das Herz muss die Muskeln in den erhobenen Armen weiterhin mit Blut versorgen – und entsprechend mehr leisten.

Exoskelett mit Lerneffekt

Das Fraunhofer Institut IPK verfolgt mit „Ergojack“ auf den ersten Blick das gleiche Ziel eines unterstützenden Exoskeletts. Doch die federbasierte Kraftverstärkung im Oberschenkelbereich ist nur ein Aspekt, eigentlich steht der Trainingseffekt im Vordergrund. Kein Muskeltraining, sondern ein Haltungs- und Bewegungstraining. Bei der Nutzung analysiert „Ergojack“ die Bewegungen in Echtzeit, per KI werden die Werte der Bewegungssensoren mit vorgelernten Bewegungsmustern abgeglichen. Abweichungen quittiert das System mit Vibrationssignalen, die dazu animieren, künftig diese Situaton zu vermeiden und ergonomischere Abläufe auszuführen.

Das „Ergojack“, so die Fraunhofer-Forscher, sei eine sinnvolle Verbesserung von Exoskeletten, denn es verhindere, dass ergonomisch ungünstige Bewegungen durch Exoskelette noch verstärkt werden.

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Experte für Arbeitsmedizin: Dr. Benjamin Steinhilber von der Universität Tübingen.

Noch viel Luft nach oben

Arbeitsmediziner betrachten Exoskelette derzeit noch skeptisch, weil viele Aspekte wissenschaftlich noch nicht oder noch nicht ausreichend verifiziert sind. Wir sprachen dazu mit Dr. Benjamin Steinhilber vom Institut für Arbeitsmedizin, Sozialmedizin und Versorgungsforschung der Universität Tübingen.

Hersteller von Exoskeletten preisen deren entlastende Wirkung – lässt sich das wissenschaftlich bestätigen?

Dr. Benjamin Steinhilber: Nein. Viele der publizierten wissenschaftlichen Studien deuten zwar auf eine Belastungsreduktion in der zu entlastenden Körperregion hin, aber es werden auch neue, durch das Exoskelett bedingte Belastungen berichtet. In manchen Studien wird auch keine Belastungsreduktion gefunden. Unklar ist zum jetzigen Zeitpunkt, ob die Höhe einer möglichen Belastungsreduktion ausreicht, um einen gesundheitlichen Vorteil zu bewirken.

Eignen sich Exoskelette eher für die Prävention oder die Wiedereingliederung erkrankter Mitarbeiter?

Dr. Benjamin Steinhilber: Ob durch die Verwendung von Exoskeletten eine Prävention gegen Muskelskelett-Beschwerden oder -Erkrankungen erreicht werden kann, ist nicht bekannt. Generell sollte eine Passung zwischen Exoskelett, Tätigkeit und Mitarbeiter angestrebt werden, allerdings erst, wenn eine ergonomische Optimierung des Arbeitsplatzes stattgefunden hat.

In welchen Branchen können Sie sinnvolle Nutzungen beobachten?

Dr. Benjamin Steinhilber: Meines Erachtens macht es Sinn, Exoskelette an solchen Arbeitsplätzen zu erproben, wo hohe physische Belastungen auftreten und wo keine weiteren Optimierungen mit „herkömmlichen und etablierten“ Maßnahmen erreichbar sind. Im Moment wissen wir ja noch nicht, ob Exoskelette tatsächlich wirksam sind. Das gilt branchenübergreifend. Natürlich muss auch gewährleistet sein, dass vom Exoskelett keine relevanten neuen Gefährdungen ausgehen, so muss etwa geprüft werden, ob eine Fluchtgefahr im Brandfall auch mit dem Exoskelett möglich ist. Die Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung hat eine Checkliste für die Gefährdungsbeurteilung für Tätigkeiten mit Exoskelett herausgegeben. Diese Gefährdungsbeurteilung sollte einer Exoskelettnutzung
oder -erprobung immer vorausgehen.

Wie würden Sie den aktuellen Stand der Entwicklung bewerten?

Dr. Benjamin Steinhilber: Bei allen Exoskeletten, die ich bisher gesehen und ausprobiert habe ist noch Luft nach oben. Das betrifft häufig das Eigengewicht und die Anpassung an die individuelle Anatomie des Benutzers, sodass störende Einflüsse wie zum Beispiel Bewegungseinschränkungen oder Reibung an den Kontaktstellen verhindert werden.

Gibt es bereits wirtschaftliche Bewertungen zum Einsatz von Exoskeletten?

Dr. Benjamin Steinhilber: Das kann es meines Erachtens noch nicht geben, weil wir nichts über die Wirksamkeit wissen und die verfügbaren Exoskelette wegen der geringen Stückzahlen und des großen Entwicklungsaufwandes zur Zeit noch sehr teuer sind.