Ein Mann im dunklen Pullover mit dem Arm roter Prosthese des Herstellers Open Bionics.
© Open Bionics
16.09.2021 Prothetik und Orthetik Publikation

Wunschziel Iron Man

Zusätzliche Muskelkraft und sogar Ersatz für verlorene Gliedmaßen: Der technologische Fortschritt auf dem Gebiet moderner Prothesen und Exoskelette ist beträchtlich. Zunehmend lassen sich diese besser an den Menschen anpassen und verbinden Tragekomfort mit smarten Funktionen und ausgeklügeltem Design.

von Markus Strehlitz

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Der Begriff Cyborg bezeichnet ein Mischwesen aus biologischem Organismus und Maschine. Von solchen Mischwesen ist gerne mal die Rede, wenn Menschen mit modernen Prothesen ausgestattet werden oder sich Werker in der Fabrik roboterartige Geräte um den Körper schnallen. Von einem Cyborg, wie man ihn aus dem Kino kennt, sind solche Technologien zwar noch weit entfernt. Kompatibilität zwischen Körper und technischem Hilfsmittel herzustellen, ist eine komplexe Angelegenheit. Für den Menschen gibt es schließlich keine USB-Schnittstelle.

Trotzdem sind die Möglichkeiten, mithilfe von Mechanik und Elektronik verlorene Gliedmaßen zu ersetzen oder Muskeln zu unterstützen, in den vergangenen Jahren erstaunlich gewachsen. So werden Prothesen leichter und lassen sich zunehmend besser an den menschlichen Körper anpassen. Dazu trägt unter anderem die 3-D-Drucktechnik bei. Die additive Fertigung macht Leichtbau-Geometrien möglich. So hat zum Beispiel Hersteller Open Bionics dank der Technologie das Gewicht seiner Armprothesen um 30 bis 50 Prozent reduzieren können, wie CEO Joel Gibbard in einem Blog-Post auf der Firmen-Website schreibt.

Mit dem 3-D-Druck lassen sich auch Designs herstellen, die mit klassischen Verfahren gar nicht oder nur sehr aufwendig umgesetzt werden können. Beispiel dafür ist der Hero Arm von Open Bionics. Dieser sieht anders aus als herkömmliche Modelle, die sonst eher versuchen, dem menschlichen Arm zu ähneln. Der Hero Arm lässt sich dagegen in ein Körperteil von Iron Man, einem Star-Wars-Roboter oder einem Helden aus dem Disney-Film Frozen verwandeln. Die verschiedenen Designs werden per Magnet an der Prothese befestigt. Daneben bringt der 3-D-Druck auch funktionale Verbesserungen, etwa dass sich der Schaft einer Prothese so fertigen lässt, dass er besser am Stumpf fixiert werden kann – zum Beispiel, weil die Oberfläche des Materials entsprechend strukturiert wird.

Auch Dr. Urs Schneider sieht den Einsatz des 3-D-Drucks in der Prothetik als sinnvoll an, vor allem wenn sich damit Funktionen integrieren oder neue Geometrien herstellen lassen. Schneider ist Leiter der Abteilung Biomechatronische Systeme am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). Noch allerdings, betont er, würden die Möglichkeiten der Technik nicht ausgeschöpft.

Ein Puppenspieler trägt ein Exoskelett eng an Rücken und beiden Armen. An seinen erhobenen Händen hat er zwei Tierpuppen.

Bühnenreif

Ein Puppenspieler trägt ein Exoskelett eng an Rücken und beiden Armen. An seinen erhobenen Händen hat er zwei Tierpuppen.

Exoskelette eignen sich nicht nur für Werker in der Fabrik oder in der Logistik. Auch die Augsburger Puppenkiste setzt auf technische Hilfe. Für Auftritte mit Handpuppen nutzen die Mitarbeiter ein Exoskelett von Ottobock. Der Puppenspieler trägt dabei das Gerät ähnlich wie einen Rucksack eng am Körper. Das Gewicht der erhobenen Arme wird über Armschalen mithilfe einer mechanischen Seilzugtechnik auf die Hüfte abgeleitet. „Das minutenlange Halten und Bewegen der Handpuppen über Kopfhöhe ist sehr anstrengend“, sagt Klaus Marschall, Inhaber der Augsburger Puppenkiste. „Das Exoskelett hilft dem Puppenspieler in dieser Situation enorm. Es entlastet seine Schultern und Oberarme, sodass er sich besser auf das Spielen konzentrieren kann und nach der Vorstellung weniger angestrengt ist.“

Per App zur Menüerweiterung moderner Prothesen

Ein Mädchen steht in einer nächtlich beleuteten Straße, unterhalb des Ellenbogens eine Armprothese.

Cooles Design: Der Hero Arm von Open Bionics ist eine multifunktionelle Prothese und bei Kindern und Jugendlichen vor allem wegen der außergewöhnlichen Optik sehr beliebt. So auch bei Tilly Lockey, die ihren ersten „Heldinnenarm“ von Open Bionics mit acht Jahren bekam. 

| © Open Bionics

Auch die Potenziale der Informationstechnologie gilt es zu nutzen. Schon seit vielen Jahren werden mittels Elektromyographie (EMG) elektrische Signale aus den Muskelstümpfen genutzt, um Prothesen zu bewegen. Eine Handprothese beispielsweise erhält auf diese Weise ihre Befehle aus dem Unterarm, die Hand zu öffnen, zu schließen oder zu strecken. Um den Nutzer nicht zu überfordern, werden Prothesen nicht mit noch mehr Funktionen ausgestattet – auch wenn dies rein technisch möglich wäre. Stattdessen lassen sich einzelne zusätzliche Griffe einfach herunterladen, falls diese benötigt werden – und zwar per App. Der isländische Hersteller Össur wirbt bei seiner Handprothese i-Limb Quantum mit 36 Griffen für fast jede Situation. Wer mit seiner künstlichen Hand zum Beispiel ein rohes Ei durch die Küche tragen möchte, klickt in der dazugehörigen App auf das Symbol mit dem passenden Griff.

Und die Entwicklung geht noch weiter: Forschende unter der Leitung von Stanisa Raspopovic, Professor am Departement Gesundheitswissenschaften und Technologie der ETH Zürich, haben Prothesen entwickelt, die dem Nervensystem des Trägers eine Rückmeldung geben. Informationen von Sensoren in den Prothesen werden dazu in Stromimpulse umgewandelt und über implantierte Elektroden an die Nerven übermittelt. Das Gehirn geht dadurch davon aus, dass zum Beispiel eine Beinprothese dem eigenen Bein ähnlich ist. Das Ergebnis: Das verlorene sensorische Feedback wird wiederhergestellt. Die Träger der Prothese können sich sicherer und mit weniger Kraftanstrengung fortbewegen.

Generell geschieht derzeit in der technischen Entwicklung, so Schneider, sehr viel. Dazu zählen die drahtlose Übermittlung von Signalen, der Ausbau des Bereichs biointelligenter Schnittstellen und die komplette Entwicklung, bei der es ebenfalls um die Verbindung von Mensch und Maschine geht: Die Rede ist von Exoskeletten. Diese sind vergleichbar mit Orthesen aus der Medizintechnik, die Körperteile wie zum Beispiel das Knie stabilisieren sollen. Der Zweck von Exoskeletten ist es, die Muskelkraft seines Trägers zu unterstützen. Im medizinischen Bereich könnten Exoskelette etwa Menschen mit gelähmten Gliedmaßen dabei helfen, diese wieder zu bewegen.

Für den Einsatz im industriellen Bereich hat zum Beispiel Hersteller Ottobock seine Erfahrungen aus der Prothetik sowie der Orthetik genutzt und verschiedene Exoskelette entwickelt. Mit diesen lassen sich unterschiedliche Körperregionen entlasten – wie etwa die Schultern oder der Rücken. Zum Einsatz kommen sie unter anderem in der Logistik, der Produktion oder der Instandhaltung. Gerade in der Logistik ist die körperliche Belastung der Mitarbeiter sehr groß. Mitarbeiter heben dort oft mehrere hundert Pakete pro Stunde – mit einem Durchschnittsgewicht von vier bis acht Kilogramm.

Exoskelette bieten Vorteile für Mitarbeiter und Unternehmen

Ein Mann an einem Gepäckband, der ein rotes Exoskelett trägt, hebt einen silber-schwarzen Koffer vom Gepäckband

Hilfe beim Heben: Die Exoskelette von German Bionic schützen den Menschen vor Ermüdungserscheinungen durch Unterstützung von bis zu 30 kg pro Hebevorgang (links), während das Modell Paexo Back von Ottobock (rechts) wie ein Energiespeicher beim Beugen Kraft aufnimmt und sie beim Heben wieder abgibt.

| © German Bionic Systems GmbH

In einem Prospekt erklärt Ottobock, wie die Mechanik funktioniert – anhand des Modells Paexo Back, das den Rücken entlastet: „Paexo Back macht sich die Energie aus der kinematischen Bewegung und der Schwerkraft zunutze, die dann an den Körper zurückgegeben wird, wenn sie am meisten benötigt wird.“ Beim Bücken des Anwenders wird Energie gewonnen und dann beim Aufrichten über eine Expanderfeder des Exoskeletts auf die Beine übertragen. Experten sprechen vom Energy Harvesting.

Die Entlastung lässt sich auch in Zahlen benennen. Beim Paexo Back beispielsweise sind das 25 Kilogramm, heißt: Das Exoskelett nimmt dem Nutzer maximal 25 Kilogramm seiner Last ab. Die Nutzer sollen immer noch einen Teil der Last selbst tragen, sagt Malik Tirmizi, Senior Manager Business Development bei Ottobock, es gehe vor allem darum, Überlastungsspitzen zu vermeiden. „Alles, was in Richtung Iron Man geht, ist noch Zukunftsmusik“, so Tirmizi. Doch auch ohne Iron-Man-Funktionalität tragen Exoskelette dazu bei, dass Mitarbeiter seltener gesundheitliche Schäden erleiden, weniger ausfallen und „weniger Fehler machen, weil sie nicht überanstrengt sind“, so Tirmizi. All dies hat nicht nur einen positiven Effekt auf den Mitarbeiter, sondern auch einen nachhaltigen Mehrwert für die Unternehmen: Die Belegschaft wird schließlich immer älter und die Geräte unterstützen ältere Mitarbeiter dabei, ihre körperlichen Tätigkeiten noch verrichten zu können. Eine Langzeitstudie bei Autobauer Ford konnte den Nutzen von Exoskeletten belegen, wie Schneider vom Fraunhofer IPA berichtet: „Die Krankheitsraten wurden so stark gesenkt, dass Exoskelette bei Ford USA jetzt Vorschrift sind.“

Mechanisch anders funktionieren die Exoskelette des deutschen Herstellers German Bionic. Dessen Geräte unterstützen die Bewegungen der Nutzer per eingebautem Motor. Dabei besitzt die Technologie sogar ein eigenes Betriebssystem. „Das ist das Herz und das Hirn des Exoskeletts“, sagt Norma Steller, Head of IoT bei German Bionic. Über ein Display kann der Nutzer Einstellungen vornehmen und erhält Informationen, wie das Exoskelett ihn unterstützt – also zum Beispiel, wie viel Gewicht ihm gerade abgenommen wird.

Smarte Verbindung aus menschlicher Intelligenz mit maschineller Kraft

Eine blonde Frau trägt ein Exoskelett, das an ihren Schultern, der Hüfte und den Beinen befestigt ist.

Das Modell Paexo Back von Ottobock  nimmt Kraft auf, wie ein Energiespeicher beim Beugen und sie gibt beim Heben wieder.

| © Ottobock SE & Co. KGaA

Per Wi-Fi oder Mobilfunk nimmt das Exoskelett auch Verbindung in die Cloud auf. Dort ist für jeden Nutzer ein individuelles Profil hinterlegt. Zieht ein Mitarbeiter im Lager oder in einer Fabrikhalle das Gerät an, erkennt dieses seinen Träger und nimmt die passenden Einstellungen vor. Dank Machine Learning lernt das Exoskelett mit jedem Einsatz. So kann es sich an die individuellen Anforderungen und Bewegungsabläufe anpassen und seinen Träger immer besser unterstützen. Dabei würden keine personenbezogenen Daten gesammelt, betont Steller. Jeder Nutzer wird lediglich über einen anonymisierten Code erkannt.

Noch befinde man sich bei der Entwicklung der Exoskelette in der Pionierzeit, resümiert Schneider. Die kommenden Jahre werden noch einige Weiterentwicklungen hervorbringen. Schneider rechnet damit, dass die Zukunft sogenannten passiv-adaptiven Exoskeletten gehört, in denen kleine und leichtere Servomotoren dafür sorgen, dass Federmechanismen nachjustiert werden oder an- beziehungsweise abgeschaltet werden – je nach Bedarf.

Doch unabhängig davon, welcher Ansatz sich durchsetzt: Exoskelette könnten eine wichtige Alternative zum bisher gültigen Gegensatz in der Industrie – „Menschliche Arbeit versus Vollautomatisierung“ – bilden. Nach Meinung von Norma Steller müsste es durch die Exoskelett-Technik bei dieser Frage kein Entweder-oder mehr geben. „Wir sagen: Lasst uns die Intelligenz des Menschen mit der Kraft des Roboters vereinen.“ Das klingt weniger bedrohlich als die Cyborgs aus den Hollywoodfilmen.

Links:

Mehr Infos zum Einsatz von Exoskeletten im Smart Warehouse finden Sie hier:

www.germanbionic.com

Beispiele der Hero Arms von Open Bionics sind hier zu sehen:

https://openbionics.com/hero-arm