Beispiele für verschiedene Arten von Exoskeletten [ 1 ]

Ein Exoskelett ist ein tragbares Gerät, das Bewegung, Körperhaltung oder körperliche Aktivität durch mechanische Interaktion mit dem Körper des Benutzers und durch auf ihn ausgeübte Kräfte erweitert, ermöglicht, unterstützt oder verbessert. [ 2 ]

Weitere gebräuchliche Bezeichnungen für ein tragbares Exoskelett sind Exo, Exotechnologie, Assistenz-Exoskelett und Exoskelett zur menschlichen Erweiterung. Der Begriff Exosuit wird gelegentlich verwendet, bezieht sich aber typischerweise auf eine Untergruppe von Exoskeletten, die hauptsächlich aus weichen Materialien bestehen. [ 3 ] Auch der Begriff tragbarer Roboter wird manchmal synonym für ein Exoskelett verwendet und umfasst eine Untergruppe von Exoskeletten; allerdings sind nicht alle Exoskelette robotischer Natur. Ebenso können einige, aber nicht alle Exoskelette als bionische Geräte kategorisiert werden.

Exoskelette stehen in engem Zusammenhang mit Orthesen (auch orthopädische Hilfsmittel genannt ). Orthesen sind Hilfsmittel wie Bandagen und Schienen, die verletzte Körperteile wie Hand, Arm, Bein oder Fuß stützen. Die Definitionen von Exoskelett und Orthese überschneiden sich teilweise, es besteht jedoch kein allgemeiner Konsens und die Klassifizierung verschiedener Hilfsmittel ist nicht immer eindeutig. Einige Orthesen, wie beispielsweise motorisierte Orthesen, gelten allgemein als Exoskelette. Einfache Orthesen wie Rückenstützen oder Schienen hingegen werden in der Regel nicht als Exoskelette betrachtet. Bei manchen Orthesen gehen die Meinungen von Experten auseinander, ob es sich um Exoskelette handelt oder nicht.

Exoskelette sind mit Prothesen (auch Prothesentechnik genannt) verwandt, aber nicht mit ihnen zu unterscheiden . Prothesen sind Hilfsmittel, die fehlende biologische Körperteile wie einen Arm oder ein Bein ersetzen. Exoskelette hingegen unterstützen oder verbessern die Funktion vorhandener biologischer Körperteile.

Tragbare Geräte oder Kleidungsstücke, die nur geringe oder vernachlässigbare Kräfte auf den Körper des Trägers ausüben, gelten nicht als Exoskelette. Beispielsweise zählen weder Kleidung und Kompressionsbekleidung noch vibrierende Armbanduhren oder tragbare Geräte dazu. Auch etablierte Produktkategorien wie Schuhe oder Fußbekleidung werden im Allgemeinen nicht als Exoskelette betrachtet; es gibt jedoch Grauzonen, und es können neue Geräte entwickelt werden, die mehrere Kategorien umfassen oder schwer zu klassifizieren sind.

Zwecke

Exoskelette können verschiedenen Zwecken im medizinischen, beruflichen oder Freizeitbereich dienen und werden häufig nach ihrem allgemeinen Anwendungsgebiet kategorisiert.

Medizinisch

Beispiele für medizinische Exoskelette für die oberen Extremitäten [ 4 ]

Medizinische Exoskelette dienen typischerweise einem oder mehreren Zwecken, [ 5 ] wie zum Beispiel:

  • Zur Unterstützung von Bewegung oder Körperhaltung bei Personen mit körperlicher Behinderung oder neuromotorischer Beeinträchtigung
  • Die Rehabilitation einer Person nach einer Verletzung oder Erkrankung
Beispiele für medizinische Exoskelette für die unteren Extremitäten, sowohl kabelgebundene als auch kabellose Geräte [ 6 ]

Medizinische Exoskelette wurden entwickelt, um Menschen mit bestimmten körperlichen Behinderungen oder neurologischen Beeinträchtigungen wie Schlaganfall, Rückenmarksverletzungen, Zerebralparese oder Gliedmaßenverlust zu unterstützen. [ 7 ] Diese Exoskelette können verschiedene spezifische Zwecke erfüllen, beispielsweise die Verbesserung des Gleichgewichts [ 8 ] , der Fortbewegung [ 9 ] , des Greifens [ 10 ] , der Koordination [ 11 ] oder anderer funktioneller Bewegungen [ 12 ] oder anderer funktioneller Bewegungen [ 13 ] [ 14 ] . In der Rehabilitation wird ein Exoskelett unter Umständen nur vorübergehend während einer begrenzten Genesungsphase eingesetzt, danach ist es möglicherweise nicht mehr erforderlich. [ 9 ] Ein Rehabilitations-Exoskelett kann so konzipiert sein, dass es Menschen mit Bewegungseinschränkungen unterstützt, beispielsweise durch Stabilisierung der Bewegungen oder Unterdrückung von Tremor [ 15 ] . Alternativ kann ein Exoskelett so konstruiert sein, dass es Bewegungen entgegenwirkt, um das körperliche Training zu verbessern oder die Kraft wiederherzustellen. [ 16 ] In diesem Fall bietet das Exoskelett dem Nutzer kurzfristig Widerstand, um ihn langfristig bei der Wiedererlangung von Kraft oder Fähigkeiten zu unterstützen. Exoskelette können den Rehabilitationsprozess in beiden Fällen verbessern, indem sie die therapeutische Dosis erhöhen (z. B. durch mehr Wiederholungen oder einen höheren Schwierigkeitsgrad), Übungen auf bestimmte Bewegungen beschränken, den Bedarf an Therapeuten oder deren Arbeitsaufwand reduzieren oder die Leistungsfähigkeit durch integrierte Sensoren erfassen. Zur Unterstützung kann ein Exoskelett dauerhaft, intermittierend oder nur vorübergehend eingesetzt werden. Die Unterstützung durch ein Exoskelett kann auch mit anderen Technologien oder Modalitäten kombiniert werden, wie z. B. funktioneller Elektrostimulation (FES) [ 17 ] oder epiduraler Elektrostimulation (EES) [ 18 ] .

Beruf

Beispiele für verschiedene Arten von Exoskeletten für den Arbeitsplatz: (A) ein weiches, motorbetriebenes Handexoskelett, das von einem Produktionsmitarbeiter zur Entlastung beim Greifen von Werkzeugen verwendet wird; (B) ein weiches, passives Rückenexoskelett, das von einem Lagerarbeiter zur Reduzierung von Verletzungsrisiken und Ermüdung eingesetzt wird; (C) ein starres, passives Armexoskelett, das von einem Bauarbeiter zur Reduzierung von Schulterbelastung und Ermüdung bei Überkopfarbeiten verwendet wird; und (D) ein starres, motorbetriebenes Rumpfexoskelett, das von einer Pflegekraft zur Unterstützung der Körperhaltung und zur Reduzierung der Rückenbelastung beim Bewegen von Patienten eingesetzt wird [ 19 ].

Arbeitsplatzexoskelette wurden primär zur Reduzierung von Verletzungen und Ermüdung am Arbeitsplatz entwickelt und eingesetzt. [ 20 ] Sie können jedoch auch für verschiedene andere Zwecke zur Verbesserung der Arbeitssicherheit oder der Betriebsabläufe eingesetzt werden. [ 21 ] Die häufigsten Anwendungsbereiche sind:

  • Um das Verletzungsrisiko, wie z. B. Muskel-Skelett-Erkrankungen aufgrund von Überanstrengung oder längerem Verharren in bestimmten Körperhaltungen, zu verringern [ 22 ] [ 23 ]
  • Zur Steigerung der Arbeitsleistung (z. B. Produktivität, Qualität, Ausdauer) oder der betrieblichen Effizienz [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]
  • Um die Fluktuation der Beschäftigten zu verringern oder die Rekrutierung neuer Beschäftigter zu verbessern, indem das Wohlbefinden der Beschäftigten gesteigert wird [ 28 ] [ 29 ]

Militärische Exoskelette werden oft als Unterkategorie von berufsbezogenen Exoskeletten betrachtet. Der Begriff „militärisches Exoskelett“ bezeichnet Exoskelette, die Angehörige des Militärs bei der Ausübung ihrer Aufgaben unterstützen. [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] Manche militärische Tätigkeiten ähneln oder sind identisch mit entsprechenden zivilen Berufen. So kann beispielsweise ein Militärmechaniker oder Logistiker ähnlichen körperlichen Belastungen ausgesetzt sein wie ein ziviler Mechaniker oder Logistiker. Andere Tätigkeiten hingegen sind spezifisch für den Militärdienst, beispielsweise für Panzer- oder Artilleriebesatzungen. Auch die körperlichen Belastungen durch Schutzwesten und das Tragen von Lasten sind im Militär im Vergleich zu zivilen Berufen oft höher und einzigartig. Aus diesen Gründen wurden einige militärische Exoskelette entwickelt, um den spezifischen Anforderungen militärspezifischer Tätigkeiten, Umgebungen und Herausforderungen gerecht zu werden. [ 33 ] [ 34 ]

Freizeit

Exoskelette für den Freizeitbereich dienen dazu, Menschen bei der Ausübung von Freizeitaktivitäten wie Gehen, Wandern, Skifahren oder Sport zu unterstützen. [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] In diesem Zusammenhang kann ein Exoskelett dazu beitragen, dass eine Person eine Freizeitaktivität länger, besser, mit weniger Belastung, Schmerzen oder Ermüdung ausüben kann oder eine Aktivität ausüben kann, die ohne die Unterstützung des Exoskeletts nicht möglich wäre. Ein häufiges Ziel von Exoskeletten für den Freizeitbereich ist die Förderung gesunden Alterns [ 38 ] , d. h. Menschen im Alter, die einem natürlichen körperlichen Abbau unterliegen, sollen befähigt werden, körperlich aktiv zu bleiben und Aktivitäten nachzugehen, die ihnen Freude bereiten. In manchen Fällen sind Exoskelette so konstruiert, dass sie Bewegungen widerstehen, um das Muskeltraining durch eine anspruchsvollere Bewegung zu intensivieren. Exoskelette für den Freizeitbereich werden auch als Sport-Exoskelette oder Verbraucher-Exoskelette bezeichnet. Allerdings können einige berufsbezogene und medizinische Exoskelette auch im nicht-professionellen Bereich, also für Endverbraucher, eingesetzt werden, sodass die Grenzen zwischen diesen Kategorien verschwimmen und manche Geräte in mehrere Kategorien fallen können. Freizeit-Exoskelette sind eine noch relativ junge Kategorie (im Vergleich zu medizinischen und berufsbezogenen Exoskeletten), und ihr Zweck und Anwendungsbereich können sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln.

Andere

Exoskelette wurden auch für andere Zwecke entwickelt. Einige Exoskelette sind primär für Forschungs- oder Bildungszwecke konzipiert und werden als Forschungsexoskelette [ 39 ] [ 40 ] bzw. Bildungsexoskelette [ 41 ] bezeichnet . Exoskelette zur Unterstützung oder zum Muskeltraining im Weltraum werden als Weltraumexoskelette bezeichnet [ 42 ] . Obwohl diese gewisse Ähnlichkeiten mit medizinischen oder berufsbezogenen Exoskeletten aufweisen, gibt es keine vollständige Überschneidung. In manchen Fällen kann ein Exoskelett mehreren Kategorien zugeordnet werden. Da es sich um eine aufstrebende Technologie handelt, sind die Kategorien von Exoskeletten nicht starr definiert. Neue Kategorien oder Unterkategorien werden im Laufe der Zeit schrittweise hinzugefügt und verfeinert.

Kategorien

Beispiel dafür, wie Forscher Exoskelette anhand verschiedener Merkmale kategorisiert haben [ 43 ].

Neben der Kategorisierung nach allgemeinem Zweck oder Anwendungsgebiet gibt es verschiedene weitere Möglichkeiten, Exoskelette zu kategorisieren oder zu unterteilen. Es existieren Exoskelette, die unterschiedliche Körperteile und Aufgaben unterstützen, und diese unterscheiden sich stark hinsichtlich Größe, Design, Steuerung, Komplexität, Kosten, Struktur, Funktion und Transportierbarkeit.

Nach Körperteilen oder Aufgaben

Exoskelette wurden entwickelt, um verschiedenste Körperteile und Aufgaben zu unterstützen [ 43 ] [ 44 ] und werden häufig danach kategorisiert. Anders als in vielen Hollywoodfilmen dargestellt, sind reale Exoskelette jedoch nicht für jede Aufgabe oder die Unterstützung jedes Körperteils ausgelegt. Im Allgemeinen ähneln Exoskelette eher tragbaren Werkzeugen, die jeweils für einen bestimmten Zweck entwickelt wurden, beispielsweise zur Unterstützung bestimmter Körperteile bei bestimmten Aufgaben. Daher gibt es eine große Vielfalt an Exoskeletten (Werkzeugen), die unterschiedliche Aufgaben und Körperteile für verschiedene Nutzer, Anwendungsfälle und Umgebungen unterstützen.

Es gibt Exoskelette, die einen oder mehrere der folgenden Körperteile unterstützen: Nacken, Schultern, Ellbogen, Handgelenke, Hände, Finger, Rücken, Hüften, Knie, Knöchel und Füße. [ 43 ] [ 44 ] Manchmal werden anstelle der einzelnen Körperteile allgemeinere Begriffe wie Oberkörper-, Unterkörper- oder Ganzkörperexoskelett verwendet. Exoskelette sind für Tätigkeiten wie Gehen, Laufen, Springen, Stehen, Aufstehen, Treppensteigen, Bücken, Heben, Knien, Halten von Werkzeugen, Hantieren mit Gegenständen, Aufrechterhaltung der Körperhaltung, Arbeiten über Kopf, Tragen, Greifen, Balancieren, Werfen und Skifahren konzipiert. Diese Liste ist nicht vollständig, und es werden ständig neue Exoskelette für neue Anwendungsbereiche entwickelt.

Nach Struktur

Beispiel eines weichen und eines starren Exoskeletts mit biomechanischen Kraftdiagrammen, die zeigen, wie die einzelnen Gerätetypen die Belastung des Rückens des Benutzers reduzieren [ 3 ].

Die Struktur beschreibt, ob die Gesamtkonstruktion eines Exoskeletts eher starr (d. h. hart, steif) oder weich (d. h. flexibel, nachgiebig) ist. [ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] Exoskelette mit hartem Rahmen oder die hauptsächlich aus starren Strukturen (z. B. Metall, Kunststoff) bestehen, werden allgemein als starre oder traditionelle Exoskelette bezeichnet. Exoskelette, die hauptsächlich aus weichen Strukturen (z. B. Textilien, Elastomeren) bestehen, werden allgemein als weiche Exoskelette, auch Exosuits oder Softshell-Exoskelette genannt, bezeichnet. [ 49 ] Weiche Exosuits entstanden als ein Ansatz, um einige praktische Herausforderungen zu bewältigen, die mit starren Exoskeletten verbunden sind, da diese oft unhandlich sind, Unbehagen verursachen oder die Bewegungsfreiheit einschränken. [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] Der Begriff Hybrid (weich-starr) wird gelegentlich für Geräte verwendet, die wesentliche Abschnitte aus überwiegend starren Strukturen und separate wesentliche Abschnitte aus überwiegend weichen Strukturen enthalten. [ 53 ] Der Begriff Hybrid wird jedoch üblicherweise sparsam verwendet, da in der Realität alle Exoskelette sowohl starre als auch weiche Komponenten umfassen. Aus Gründen der Einfachheit und der Verständlichkeit ist es dennoch üblich, Exoskelette in die Strukturkategorien „starr“ und „weich“ einzuteilen. Diese Kategorien sind umgangssprachlich und nicht formal definiert.

Nach Funktion (Betätigung)

Die Funktion (oder der Antriebstyp) beschreibt, wie ein Exoskelett die mechanische Kraft erzeugt, die es auf den Benutzer ausübt. Obwohl alle Exoskelette die menschliche Bewegung unterstützen oder verstärken, erreichen sie dies auf unterschiedliche Weise – ähnlich wie Elektromotoren und Benzinmotoren jeweils ein Auto antreiben, aber unterschiedlich funktionieren (angetrieben werden). Exoskelette können aktiv oder passiv angetrieben werden. [ 54 ]

Exoskelette, die mithilfe eines Elektromotors oder anderer angetriebener Aktuatoren (z. B. Hydraulik- oder Pneumatikaktuatoren, Motoren) unterstützende Kräfte erzeugen, werden allgemein als angetriebene Exoskelette, auch aktive oder motorisierte Exoskelette genannt, bezeichnet. Exoskelette, die mithilfe einer Feder, eines elastischen Materials, eines Dämpfers oder eines anderen nicht angetriebenen Mechanismus unterstützende Kräfte erzeugen, werden allgemein als passive Exoskelette, auch elastische oder nicht angetriebene Exoskelette genannt, bezeichnet.  

Jeder Exoskelett-Typ hat unterschiedliche Vor- und Nachteile. Aktive Exoskelette bieten ein breiteres Spektrum an Unterstützungsfunktionen, das über federartige Bewegungen hinausgeht [ 55 ]. Dies kann insbesondere für bestimmte Personengruppen, wie z. B. Menschen mit Lähmungen [ 56 ] , und für bestimmte Aufgaben, wie das Schieben in eine Richtung, von Vorteil sein [ 33 ] . Allerdings haben aktive Exoskelette eine begrenzte Akkulaufzeit und sind tendenziell schwerer, teurer und bieten aufgrund von Herausforderungen bei der Steuerung und der Absichtserkennung eine verzögerte Unterstützung [ 57 ] [ 58 ] . Passive Exoskelette sind in der Regel leichter, kostengünstiger und schränken die Bewegungsfreiheit weniger ein. Sie müssen weder aufgeladen noch betankt werden; allerdings können sie nur eine Teilmenge der Unterstützungsfunktionen bieten, die auf der Speicherung und Rückführung elastischer Energie basieren.

Der Begriff „quasi-passiv“ wird mitunter für passive Exoskelette mit einer Feder oder einem elastischen Element verwendet, das über eine Kupplung gesteuert wird. Dadurch kann das Exoskelett die Unterstützungsstärke anpassen, die Federunterstützung ein- oder ausschalten oder den Sollwert der Feder verändern. [ 59 ] Manche betrachten quasi-passive Exoskelette als Unterkategorie passiver Exoskelette, während andere sie als eigenständige Kategorie neben passiven und motorisierten Exoskeletten einstufen. Dies verdeutlicht, warum Funktion eigentlich als Kontinuum verstanden werden sollte, aus Gründen der Einfachheit und Verständlichkeit jedoch häufig eine begrenzte Anzahl funktionaler Kategorien verwendet wird.  

Der Begriff Hybrid (motorisch-passiv) wird gelegentlich auch für Geräte verwendet, die sowohl motorisierte als auch elastische Gelenke enthalten. [ 60 ] Er kann sich auch auf Geräte beziehen, die für bestimmte Bewegungen (z. B. zum Verrichten positiver mechanischer Arbeit) motorische Aktuatoren und für andere Bewegungen (z. B. zum Aufnehmen negativer Arbeit) passive Mechanismen nutzen, ähnlich der regenerativen Bremsung bei Autos. Unabhängig von der genauen Aktuierungsstrategie funktionieren alle Exoskelette biomechanisch nach einem ähnlichen Prinzip: Sie erzeugen mechanische Kräfte oder Drehmomente am Körper des Nutzers und reduzieren so die mechanische Belastung und die körperlichen Anforderungen an den Bewegungsapparat.

Durch die Tragbarkeit

Transportierbarkeit bzw. Portabilität beschreibt, ob ein Exoskelett an die Umgebung gebunden ist und daher nur in einem begrenzten Raum eingesetzt werden kann, oder ob es vollständig transportierbar und beweglich ist. Tragbare Exoskelette werden als portable, kabellose oder autonome Exoskelette bezeichnet. [ 61 ] An der Umgebung befestigte Exoskelette werden als stationäre oder fest installierte Exoskelette bezeichnet. [ 61 ] Beispielsweise kann bei einem stationären Exoskelett der Aktor oder die Stromversorgung extern angebracht sein, etwa auf dem Boden. Alternativ kann die Kabelverbindung auch der Stabilisierung dienen. Stationäre Exoskelette sind beispielsweise bei medizinischen Exoskeletten für den Einsatz in Kliniken oder Krankenhäusern weit verbreitet und können in Kombination mit motorisierten Pedalen oder einem Laufband verwendet werden. [ 62 ] [ 63 ] Transportierbarkeit ist ein Kontinuum; so können beispielsweise Komponenten eines angebundenen Exoskeletts auf einem mobilen Wagen montiert sein, sodass es nur teilweise transportabel ist.

Durch Konstruktion und Kontrolle

Exoskelette lassen sich auch anhand verschiedener technischer Aspekte kategorisieren. Ein Beispiel ist die Kategorisierung nach dem Grad der Unterstützung, die sie bieten. Manche Exoskelette sind nur für eine geringe Unterstützung ausgelegt, während andere eine mittlere, starke oder vollständige Unterstützung für eine bestimmte Bewegung oder Aufgabe bieten. Ein selbstbalancierendes Exoskelett [ 64 ] , das die Gliedmaßen einer gelähmten Person bewegt, ist ein Beispiel für ein Gerät, das eine vollständige Unterstützung bieten kann. Ein weiteres Beispiel sind Exoskelette, die nach ihrer Art der Steuerung kategorisiert werden, beispielsweise basierend auf manueller Eingabe (z. B. über einen Schalter, Joystick oder ein Tablet), Spracheingabe, Muskelaktivitätssteuerung, Kraftmessung oder Bewegungserfassung. [ 65 ] Ein weiteres Beispiel ist die Kategorisierung nach der Art der Steuerungsstrategie. Die Steuerungen von motorisierten Exoskeletten können auf Drehmoment-, Positions-, Impedanz- oder verschiedenen anderen technischen Steuerungsansätzen basieren. [ 66 ]

durch andere Merkmale

Exoskelette lassen sich auch nach anderen Merkmalen kategorisieren. Beispielsweise können sie nach ihren Kosten kategorisiert werden. [ 67 ] Ein weit verbreiteter Irrglaube ist, dass Exoskelette sehr teuer seien. Tatsächlich variiert der Preis jedoch um mehrere Größenordnungen [ 67 ] , da Größe, Komplexität und Einsatzzweck der verschiedenen Geräte stark variieren. Exoskelette kosten typischerweise zwischen einigen Hundert und mehreren Hunderttausend US-Dollar. Ein weiteres Beispiel ist die geografische Kategorisierung von Exoskeletten, etwa hinsichtlich ihrer Verfügbarkeit oder ihres Herstellungsortes. [ 44 ] Die Verfügbarkeit von Exoskeletten ist regional unterschiedlich, ähnlich wie bei Autos, wo nicht jedes Modell oder jede Marke weltweit angeboten wird. Zulassungen, Vertriebsnetze und die Marktnachfrage beeinflussen, welche Exoskelette in verschiedenen Regionen erhältlich sind. Es gibt zahlreiche weitere Möglichkeiten, Exoskelette zu kategorisieren, beispielsweise nach Gewicht, Modularitätsgrad oder den verschiedenen Bereichen des Körpers des Benutzers, die vom Exoskelett abgedeckt werden.

Grenzen der Kategorisierung

Ein häufiger Fehler bei der Kategorisierung von Exoskeletten ist die Annahme, dass eine bestimmte Art oder Teilmenge von Eigenschaften grundsätzlich besser oder schlechter als eine andere sei. Jede dieser Eigenschaften birgt jedoch Vorteile, Einschränkungen und Kompromisse. [ 21 ] [ 19 ] Die alleinige Kenntnis der Geräteeigenschaften reicht nicht aus, um zu beurteilen, ob ein Exoskelett hilfreicher, komfortabler oder effektiver ist als ein anderes. Die Wirksamkeit und Eignung eines bestimmten Exoskeletts hängt von vielen Aspekten des Designs sowie vom Benutzer und dem Anwendungsfall ab . [ 29 ] [ 68 ] [ 69 ] Es gibt Anwendungsfälle und Szenarien, in denen unterschiedliche Eigenschaften mehr oder weniger wünschenswert sind. Um Missverständnisse auszuschließen: Es gibt Exoskelette, die Bewegungen über das gesamte Spektrum von Strukturen (von starr bis weich), Funktionen (von aktiv bis passiv), Transportierbarkeit (tragbar bis kabelgebunden) und anderen Eigenschaften hinweg effektiv unterstützen oder verbessern können.

Herausforderungen bei der Gestaltung und Überlegungen zur Umsetzung

Die Entwicklung von Exoskeletten erfordert interdisziplinäre Expertise und unterschiedliche Perspektiven, darunter Ingenieurwesen (für mechanische Teile und Steuerung), Bekleidungsdesign (für Textilien und Tragekomfort), Ergonomie (für Sicherheit und Ergonomie) und Psychologie (für Ästhetik und Nutzerakzeptanz). [ 19 ] Da Exoskelette tragbar sind und daher nicht zu schwer, sperrig oder einschränkend sein dürfen, müssen im Entwicklungsprozess zahlreiche Kompromisse und Aspekte berücksichtigt werden. Ebenso erfordert der erfolgreiche Einsatz von Exoskeletten eine angemessene Implementierung, einschließlich Geräteanpassung, Schulung und Wartung. Bei der großflächigen Einführung von Exoskeletten in Unternehmen müssen zusätzliche Aspekte der Implementierung antizipiert und geplant werden, beispielsweise hinsichtlich Aufgabenzuordnung, Anpassung an eine heterogene Belegschaft, Kommunikation mit Stakeholdern, laufender Unterstützung, Überwachung, Lagerung, Reinigung, Gerätewechsel und Änderungsmanagement. Mängel im Design, der Benutzerfreundlichkeit oder der Implementierung tragbarer Geräte (einschließlich Exoskelette) können dazu führen, dass Nutzer die Technologie ablehnen oder nicht mehr verwenden.

Nachfolgend werden einige der häufigsten Überlegungen und Herausforderungen für Entwickler und Anwender von Exoskeletten zusammengefasst. Diese Themen sind beispielhaft und nicht vollständig.

Komfort

Obwohl Exoskelette durch ihre Fähigkeit zur Unterstützung von Bewegung oder Körperhaltung definiert werden, ist ein ausreichender Tragekomfort entscheidend für ihre Nutzung und Akzeptanz. Übereinstimmende Erkenntnisse aus akademischen Forschungsarbeiten und Praxisstudien unterstreichen die Bedeutung von physischem Komfort [ 70 ] [ 71 ] [ 52 ] , thermischem Komfort [ 72 ] [ 73 ] und psychischem Komfort [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ] . Ein Exoskelett, das zu hohe Kräfte auf den Benutzer ausübt, Reibung verursacht oder Druckstellen erzeugt, kann unangenehm sein. Ein Grund für physisches Unbehagen kann eine unpassende Größe oder eine unzureichende Anpassung an einen bestimmten Benutzer oder an eine ausreichende Bandbreite an Körpergrößen und -formen sein. Auch ein Exoskelett, das zu viel Wärme staut, die Luftzirkulation behindert oder die Schweißverdunstung hemmt, kann zu thermischem Unbehagen führen. Wenn nur eine Person (oder eine sehr kleine Gruppe) ein Exoskelett trägt, kann dies in manchen Fällen soziale Ängste oder psychosoziales Unbehagen auslösen. Auch die vom Exoskelett erzeugten Geräusche können in bestimmten Umgebungen zu psychosozialem Unbehagen beitragen. All diese Komfort- oder Passformprobleme können dazu führen, dass Nutzer das Exoskelett ablehnen oder nicht mehr verwenden. Daher haben Komfort und Passform bei der Entwicklung von Exoskeletten sowie bei deren Einsatz im Alltag höchste Priorität. Insbesondere bei berufsbedingten und medizinischen Exoskeletten sind Implementierungsprogramme mit entsprechenden Schulungen, Anpassungen und Komfortprüfungen zu einem wichtigen Bestandteil der Nutzerakzeptanz und der erfolgreichen, langfristigen Nutzung geworden.

Fit

Exoskelette müssen so konstruiert sein, dass sie der breiten Palette an Körpergrößen gerecht werden und somit Männern und Frauen hinsichtlich Größe, Gewicht und Statur optimal passen. Dies ist besonders wichtig, da persönliche Schutzausrüstung in der Vergangenheit oft nicht so gut für Frauen wie für Männer konzipiert wurde. [ 77 ] [ 78 ] Die physische Passform wird mitunter weiter in statische und dynamische Passform unterteilt. [ 79 ] Die statische Passform beschreibt die Übereinstimmung zwischen den anthropometrischen Merkmalen des Menschen und dem Exoskelett. [ 79 ] Die dynamische Passform beschreibt, wie gut sich Mensch und Exoskelett bewegen und miteinander interagieren, wobei der Fokus auf der relativen Ausrichtung und Koordination zwischen Mensch und Gerät liegt. [ 79 ] Ein Exoskelett mag in statischer Stehposition bequem sitzen, doch wenn es die Bewegung aufgrund seiner Konstruktion oder Steuerung einschränkt oder behindert, spricht man von einer schlechten dynamischen Passform. Die kognitive Passung kann ebenfalls von Bedeutung sein. Sie bezieht sich auf die Fähigkeit des Nutzers, wichtige kognitive Fähigkeiten (z. B. Informationsverarbeitung, exekutive Funktionen und motorische Auswahl) beim Tragen eines Exoskeletts beizubehalten. [ 79 ] Darüber hinaus können weitere Aspekte der Passung berücksichtigt werden, wie beispielsweise die psychosoziale Passung. Diese beschreibt, ob sich eine Person wohlfühlt, wenn sie im Alltag oder am Arbeitsplatz ein Exoskelett trägt.

Energieversorgung und Betätigung

Bei motorisierten, nicht kabelgebundenen Exoskeletten sind Größe, Gewicht und Art der Stromversorgung und der Aktuatoren wichtige Faktoren. Große Akkus liefern zwar mehr elektrische Energie, sind aber schwer und unhandlich. Kleinere Akkus sind leichter, müssen jedoch häufig ausgetauscht oder aufgeladen werden. [ 80 ] Zudem besteht bei Akkus die Gefahr einer Explosion durch thermisches Durchgehen . [ 81 ] Daher sollten bei der Entwicklung von Exoskeletten auch andere Energiequellen in Betracht gezogen werden. Verbrennungsmotoren bieten zwar eine hohe Energieausbeute, bringen aber Probleme wie Abgase, Abwärme und die mangelnde Möglichkeit zur stufenlosen Leistungsregelung mit sich. [ 82 ] Hinzu kommt der regelmäßige Bedarf an flüchtigen Kraftstoffen . Wasserstoffzellen wurden in einigen Exoskelett-Prototypen eingesetzt, [ 83 ] weisen aber ebenfalls einige Sicherheitsprobleme auf. [ 84 ] Auch Aktuatoren stehen vor der Herausforderung, leicht und gleichzeitig leistungsstark zu sein. Die Wahl des angetriebenen Aktuators (z. B. Servomotor, Hydraulik, Pneumatik) beeinflusst auch die Größe und das Gewicht der Exoskelettkonstruktion, die Effizienz der mechanischen Kraftübertragung, die Stromversorgung und die vom Exoskelett erzeugten Geräusche.

Kontrolle

Die Steuerung von Exoskeletten zur Koordination mit einem menschlichen Nutzer ist eine trügerisch schwierige Aufgabe und gilt nach wie vor als eine der größten Herausforderungen im Bereich der Exoskelett-Technologie. [ 85 ] Die Exoskelett-Steuerung erfordert Sensoren, Algorithmen und Aktoren, die zusammenarbeiten müssen, um die Absicht des Exoskelett-Trägers zu interpretieren und entsprechend zu reagieren, indem sie seine Bewegung unterstützen oder sich aus dem Weg räumen, um die Bewegung nicht zu behindern. Zahlreiche Steuerungsansätze wurden bereits erforscht. So wurden beispielsweise Exoskelett-Steuerungsalgorithmen auf Basis zustandsbasierter Steuerungssysteme oder mithilfe anderer intelligenter Steuerungsalgorithmen entwickelt, die häufig auf künstlicher Intelligenz , maschinellem Lernen oder Deep Learning basieren . [ 86 ] Ziel von Exoskeletten ist es oft, sich an Gangart, Körperhaltung, Bewegung, Umgebung oder Gelände des Nutzers anzupassen. Diese Algorithmen analysieren Sensordaten und zielen darauf ab, die Unterstützung durch das Exoskelett in Echtzeit anzupassen. Es ist jedoch nach wie vor schwierig, Exoskelette zu entwickeln, die sich synchron mit dem Träger bewegen und dabei hilfreich und sicher sind, die Bewegungsfreiheit nicht einschränken, möglichst wenige Fehler machen und schnell und flüssig genug reagieren, um den Träger nicht zu stören oder zu gefährden. [ 66 ] [ 19 ] [ 87 ] [ 88 ] [ 89 ] Bei der Auswahl und Integration der Komponenten eines Steuerungssystems und der Entwicklung von Steuerungsalgorithmen müssen verschiedene Aspekte des Exoskelett-Designs und der Benutzerfreundlichkeit berücksichtigt werden.

Materialien

Die Materialauswahl stellt eine Herausforderung für die Entwicklung von Exoskeletten dar, da diese tragbaren Geräte im Allgemeinen robust und langlebig, gleichzeitig aber auch leicht, kostengünstig und in verschiedenen Umgebungen sicher zu tragen sein sollen. Forscher konzentrieren sich daher auf die Entwicklung fortschrittlicher Materialien , die ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Flexibilität, Haltbarkeit und Festigkeit gewährleisten . Intelligente Materialien wie Formgedächtnislegierungen , flexible Polymere und leichte Verbundwerkstoffe wurden untersucht, um weiche Exoskelettkomponenten herzustellen. Die geeignete Materialauswahl und -integration ist entscheidend dafür, dass sich ein Exoskelett dem Körper des Trägers anpasst und einen komfortablen Sitz bei gleichzeitiger Bereitstellung der notwendigen Unterstützung bietet. [ 90 ]

Weitere Überlegungen

Bei der Entwicklung von Exoskeletten müssen diverse weitere Faktoren berücksichtigt werden, darunter Ästhetik, Kosten, Sicherheit, Praktikabilität, Benutzerfreundlichkeit, Gewicht, Größe, Bewegungsfreiheit, Langlebigkeit, Herstellbarkeit, Reinigung, Wartung, Schulung, Skalierbarkeit, Nutzererwartungen und finanzielle Aspekte. Letztendlich stehen Exoskelett-Entwickler vor der Herausforderung, Dutzende verschiedener Faktoren und Kompromisse abzuwägen, um eine tragbare Technologie zu entwickeln, die für die Zielgruppe effektiv, akzeptabel und umsetzbar ist.

Fiktive Darstellungen

Exoskelette wurden in zahlreichen Filmen, Fernsehserien, Science-Fiction -Büchern und Comics dargestellt. Die meisten realen Exoskelette unterscheiden sich jedoch deutlich von den Darstellungen in der Popkultur. Robert A. Heinleins Science-Fiction-Roman „ Starship Troopers “ (1959) gilt mitunter als Wegbereiter des Konzepts futuristischer Militärrüstungen. Weitere Beispiele fiktiver Exoskelette sind Tony Starks Iron -Man- Anzug, das Roboter-Exoskelett, mit dem Ellen Ripley in „Aliens“ gegen die Xenomorph- Königin kämpft , die Space Marines aus Warhammer 40.000 , die – neben anderen Fraktionen – verschiedene Arten von Servorüstungen verwenden [ 91 ] , die Servorüstung aus der Videospielreihe „Fallout“ und das Exoskelett aus „Stalker“ [ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]. In einigen Fällen dienten diese Darstellungen als Inspiration für Designer und Erfinder von Exoskeletten. Die Darstellung in der Popkultur hat jedoch auch zu erheblicher Verwirrung, Mythen und überzogenen Erwartungen in der Öffentlichkeit geführt, da viele Menschen Exoskelette mit den fiktiven, fantastischen Geräten aus der Popkultur assoziieren und möglicherweise noch nie ein reales Exoskelett gesehen oder damit in Berührung gekommen sind. Eine Liste dieser popkulturellen Bezüge findet sich in einem separaten Artikel mit dem Titel „ Liste von Filmen mit motorisierten Exoskeletten“ .

Geschichte im Laufe der Jahrhunderte

Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts

Tragbare Geräte, die der modernen Definition eines Exoskeletts entsprechen, wurden Mitte bis Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt. Damals war der Begriff „Exoskelett“ jedoch noch nicht gebräuchlich, und die Kategorie war nicht klar definiert. Daher wurden viele der exoskelettähnlichen Vorläufergeräte mit Bezeichnungen wie Stütze, Hilfsmittel, Schrittzähler oder Apparatur bezeichnet. Diese Geräte dienten der Unterstützung von Körperhaltung, Mobilität (z. B. Gehen, Laufen, Springen), körperlicher Arbeit (z. B. Bücken, Heben, Sitzen, Schaufeln, Werkzeughandhabung) und verschiedenen Körperteilen (z. B. Beine, Rücken, Arme). Diese frühen exoskelettähnlichen Geräte wiesen ein breites Spektrum an Strukturen und Funktionen auf, darunter starre und weiche Exoskelette sowie passive (elastische) und aktive (motorisierte) Exoskelette. Aus den wenigen historischen Aufzeichnungen geht jedoch hervor, dass die meisten dieser Geräte Prototypen oder Konzepte waren, die meisten nicht kommerzialisiert wurden und keines eine breite Anwendung fand.

Zwischen Mitte des 19. Jahrhunderts und den 1930er Jahren wurden verschiedene exoskelettartige Geräte entwickelt, um längeres Bücken und andere gängige landwirtschaftliche Arbeiten zu erleichtern. Dazu gehörten sowohl starre exoskelettartige Geräte [ 95 ] [ 96 ] [ 97 ] als auch weiche, exosuitartige Geräte [ 98 ] [ 99 ] . Einige dieser Geräte waren vollständig am Körper angebracht und wirkten durch die Bereitstellung von unterstützenden Kräften und Drehmomenten parallel zur Muskulatur des Benutzers, während andere Geräte Kräfte auf den Boden übertrugen, beispielsweise beim Sitzen [ 100 ] oder Bücken [ 101 ] . Es gab auch verschiedene exoskelettartige Geräte zum Halten von Werkzeugen wie Gewehren [ 102 ] , Angelruten [ 103 ] und Regenschirmen [ 104 ] [ 105 ] .

In dieser Zeit entstanden auch exoskelettartige Vorrichtungen, die das Gehen, Laufen und andere Fortbewegungsarten erleichtern sollten. Dazu gehörten sowohl starre als auch weiche Geräte sowie passive (elastische) und aktive (motorisierte) Modelle. Ein Beispiel für eine frühe passive, starre, exoskelettartige Vorrichtung war ein Gerät, das um 1890 von dem russischen Ingenieur Nikolai Jagin entwickelt wurde. [ 106 ] Diese Vorrichtung bestand aus Bogenfedern, die zwischen Taille und Füßen des Benutzers angebracht waren und die Speicherung und Rückführung elastischer Energie zur Unterstützung beim Gehen, Laufen oder Springen nutzten. [ 106 ] Jagin entwickelte mehrere weitere verwandte Erfindungen. [ 107 ] [ 108 ] [ 109 ] Ein Beispiel für eine frühe motorisierte, weiche, exoskelettartige Vorrichtung war ein Gerät, das der US-amerikanische Erfinder Leslie Kelley um 1917 zur Unterstützung des Laufens entwickelte. [ 110 ] Dieses Gerät bestand aus einer am Rucksack getragenen Dampfmaschine (betriebener Aktor), die den Benutzer unterstützte, indem sie mechanische Energie über Drähte (künstliche Bänder) steuerte und übertrug, die parallel zu den Muskeln des Benutzers verliefen. Verschiedene andere exoskelettartige Geräte wurden entwickelt, um die Fortbewegung zu erleichtern [ 111 ] oder Menschen mit körperlichen Behinderungen zu unterstützen. [ 112 ] [ 113 ]

Mitte des 20. Jahrhunderts

Konzeptzeichnung der Hardiman I, die zwar gebaut, aber aufgrund ihrer „heftigen und unkontrollierbaren“ Bewegung nie von Menschen eingesetzt wurde.

Exoskelettähnliche Geräte wurden bis Mitte des 20. Jahrhunderts kontinuierlich weiterentwickelt. Dies war eine Zeit der Erforschung der Möglichkeiten und Herausforderungen tragbarer Assistenztechnologien zur Unterstützung und Rehabilitation des Menschen. In dieser Zeit entstand auch eine der ersten Erfolgsgeschichten im Bereich der Exoskelette: tragbare Kamerastabilisatoren. Da es sich jedoch um eine Nischenlösung handelte und der Markt für Exoskelette zu dieser Zeit noch nicht breit genug war, entwickelte und etablierte sich diese Technologie weitgehend als eigenständige Kategorie. Auch heute noch werden Kamerastabilisatoren im Allgemeinen als eigene Kategorie betrachtet und nicht zu den Exoskeletten gezählt, obwohl sie die Definition erfüllen.

1951 initiierte das US Army Ballistics Research Laboratory (BRL) eine Studie zu motorisierten Exoskeletten zur Unterstützung von Soldaten. 1963 veröffentlichte der BRL-Forscher S. Zaroodny einen Bericht [ 114 ] , in dem er einen Entwurf für ein motorisiertes Exoskelett vorschlug und einen pneumatisch betriebenen Prototyp evaluierte. Obwohl das Projekt nicht weiterverfolgt wurde, analysierte der Bericht systematisch die technischen Herausforderungen bei der Entwicklung eines Exoskeletts zur Steigerung der menschlichen Leistungsfähigkeit. [ 115 ]

In den 1960er Jahren erlangte ein weiteres Exoskelett namens Hardiman aufgrund seiner hochentwickelten Technologie Bekanntheit, obwohl es nicht kommerziell vertrieben wurde. Es wurde von General Electric und den US-Streitkräften gemeinsam entwickelt . Dieses Exoskelett wurde hydraulisch und elektrisch betrieben und verstärkte die Kraft des Trägers um das 25-Fache, sodass sich das Heben von 110 Kilogramm wie das Heben von 4,5 Kilogramm anfühlte. Eine Funktion namens Force Feedback ermöglichte es dem Träger, die Kräfte und die manipulierten Objekte zu spüren. Das Hardiman wies jedoch erhebliche Einschränkungen auf, darunter sein Gewicht von 680 Kilogramm. [ 116 ] Das Hardiman war als Master-Slave-System konzipiert, bestehend aus mehreren sich überlappenden Exoskeletten: Das Slave-Gerät (äußeres Exoskelett) folgte den Bewegungen des Master-Geräts (inneres Exoskelett), welches wiederum den Bewegungen des menschlichen Bedieners folgte. [ 117 ] Die Reaktionszeit des Sklavenanzugs war langsam, und Steuerungsprobleme führten zu „heftigen und unkontrollierbaren Bewegungen der Maschine“, wenn beide Beine gleichzeitig bewegt wurden. Hardimans langsame Gehgeschwindigkeit von 0,76 Metern pro Sekunde (2,5 Fuß/s) schränkte die praktischen Anwendungsmöglichkeiten zusätzlich ein. [ 118 ]

In dieser Zeit wurden auch verschiedene andere Exoskelette entwickelt [ 119 ] , die sich hinsichtlich Design und Eigenschaften stark unterschieden; diese dienten jedoch ebenfalls hauptsächlich Forschungs- und Demonstrationszwecken. Es gab auch Untersuchungen zur Entwicklung und Anwendung von Exoskeletten für klinische Patientengruppen. So entwickelte beispielsweise in den 1970er Jahren in Jugoslawien ein Team unter der Leitung von Prof. Miomir Vukobratović pneumatisch betriebene und elektronisch gesteuerte Unterschenkelprothesen zur Unterstützung der Rehabilitation von Menschen mit Lähmungen.

In den 1970er-Jahren wurden tragbare Kamerastabilisatoren entwickelt und populär gemacht. Diese können als eine Art Werkzeug-Exoskelett betrachtet werden. Tragbare Kamerastabilisatoren funktionieren biomechanisch, indem sie einen Teil oder das gesamte Gewicht der Kamera auf den Rumpf oder die Taille des Benutzers verlagern. Dadurch werden Schultern und Arme entlastet und die Belastung des Bewegungsapparates reduziert. Tragbare Kamerastabilisatoren zählen zu den ersten Exoskelett-ähnlichen Geräten, die in der Gesellschaft und in bestimmten Branchen weite Verbreitung fanden.

Ende des 20. Jahrhunderts

Die Entwicklung von Exoskeletten wurde in den 1980er- und 1990er-Jahren fortgesetzt, wobei verschiedene Geräte entwickelt und futuristische Konzepte konzipiert wurden. Die meisten Exoskelette dieser Zeit waren jedoch noch keine marktreifen Produkte, sondern vielmehr Testplattformen und Prototypen in der Entwicklung. Starre und motorisierte Exoskelette standen in dieser Phase im Mittelpunkt, ebenso wie die Erforschung fortschrittlicher Roboter- und Steuerungstechnologien. Einige bemerkenswerte und repräsentative Exoskelette dieser Zeit werden im Folgenden kurz vorgestellt.

In den 1980er Jahren schlugen Ingenieure des Los Alamos National Laboratory ein futuristisches Exoskelett namens Pitman vor, einen motorisierten Exoskelett-Anzug für die Infanterie. Der Entwurf sah im Helm integrierte Sensoren zur Gehirnscanning vor, wurde aber als zu komplex und unpraktisch eingestuft. Er wurde nie gebaut. Ein weiteres Exoskelett aus den 1980er Jahren war der Lifesuit [ 120 ] , ein robotisches Rehabilitationsgerät für gelähmte Menschen, das ihnen bei Therapieübungen zur Wiedererlangung ihrer Mobilität und beim Erlernen des Gehens helfen sollte. Über mehrere Jahrzehnte wurden Dutzende von Lifesuit-Prototypen gebaut, was den iterativen und sich stetig weiterentwickelnden Charakter der Exoskelett-Technologie in dieser Zeit verdeutlicht. Der Lifesuit war ursprünglich kabelgebunden, wurde aber später zu einem tragbaren Exoskelett weiterentwickelt, das der Erfinder (selbst gelähmt) für die Teilnahme an öffentlichen Straßenläufen nutzte. Er berichtete jedoch auch, sich bei einem Gehversuch mit einem der Prototypen verletzt (eine Schnittwunde erlitten zu haben). [ 120 ] Dieser Vorfall unterstreicht die Bedeutung der Sicherheit, die in den folgenden Jahrzehnten ein Hauptaugenmerk bei der Entwicklung und Validierung von Exoskeletten war.

Eine kurze, unvollständige Geschichte der robotischen (motorisierten) Exoskelette für die unteren Extremitäten [ 121 ] [ 122 ]

In dieser Zeit wurden zahlreiche weitere Exoskelette konzipiert und entwickelt [ 123 ] , die die damaligen technologischen Fortschritte nutzten, um die technischen Aspekte von Exoskeletten weiterzuentwickeln. Bis zu einer breiten Anwendung im Alltag waren Exoskelette jedoch um die Jahrhundertwende noch Jahrzehnte entfernt. Viele Herausforderungen in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit, Bedienbarkeit, Komfort und die praktische Umsetzung hatten noch keine Priorität und waren noch nicht angegangen. Diese Aspekte entwickelten sich im 21. Jahrhundert zu zentralen Schwerpunkten für Verbesserungen und Weiterentwicklungen.

Anfang des 21. Jahrhunderts

Von 2000 bis Anfang der 2020er-Jahre verlagerte sich der Fokus der Exoskelett-Forschung und erweiterte sich, und es wurden bedeutende Fortschritte in Design, Implementierung und Anwendung von Exoskeletten erzielt. Dennoch halten sich in der Öffentlichkeit weiterhin viele Mythen und Missverständnisse über moderne Exoskelette – was zum Teil auf deren Darstellung in Film und Science-Fiction-Literatur zurückzuführen ist.

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts nahm der Fokus auf robotischen, den ganzen Körper umfassenden Exoskeletten zur Erweiterung des Menschen ab, die die menschliche Leistungsfähigkeit drastisch veränderten, und es gab einen wachsenden Trend hin zur Entwicklung kleinerer, einfacherer Exoskelette, die als tragbare Werkzeuge für spezifische Anwendungen und Bedürfnisse dienen sollten.

Zwischen 2000 und 2020 wurden mehrere vielbeachtete, Ganzkörper- (oder Unterkörper-)Exoskelette entwickelt, um die menschliche Kraft und Leistungsfähigkeit deutlich zu steigern. Dazu gehörten Geräte wie TALOS , SARCOS, BLEEX und HULC [ 124 ] . Trotz einiger beeindruckender technischer Fähigkeiten wiesen diese Geräte eine Reihe wesentlicher Einschränkungen in Bezug auf Größe, Kosten, Komplexität, Benutzerfreundlichkeit, Absichtserkennung, Steuerung und Bewegungsbeeinträchtigungen auf [ 125 ] . Letztendlich wurde keines dieser Exoskelette kommerziell vertrieben. Im Gegensatz dazu wurden mehrere motorisierte medizinische Exoskelette für Menschen mit Lähmungen oder anderen Mobilitätseinschränkungen erfolgreich entwickelt und vermarktet (z. B. Rewalk , Vanderbilt-Exoskelett ). RaWalk war das erste Gerät, das 2014 die FDA-Zulassung erhielt [ 126 ] . ReWalk wurde von einem israelischen Unternehmen entwickelt, das eines der weltweit ersten von der FDA zugelassenen Roboter-Exoskelette für gelähmte Patienten entwickelt hat.

Die meisten modernen Exoskelette (d. h. Geräte ab etwa 2020) sind kleiner, einfacher und praktischer als ihre Vorgänger und unterscheiden sich deutlich von den gängigen Vorstellungen über Exoskelette. Der Fokus der Entwicklung von Exoskeletten lag in dieser Ära nicht mehr auf maximaler Leistung, Kraft, Erweiterung oder futuristischen Fähigkeiten, sondern auf der Lösung konkreter Probleme, komfortabler und praktischer Anwendung sowie einer höheren Nutzerakzeptanz. [ 21 ] [ 127 ] [ 128 ] [ 129 ] Dies spiegelte die allgemeine Erkenntnis und die zunehmenden Forschungsergebnisse wider, dass Aspekte wie Komfort, Benutzerfreundlichkeit, Kosten, Einfachheit und Praktikabilität für eine breitere Akzeptanz von Exoskeletten genauso wichtig, wenn nicht sogar wichtiger sein würden als technische Spezifikationen, Unterstützungsgrade oder futuristische Fähigkeiten.

In vielerlei Hinsicht hat sich die moderne Exoskelett-Forschung von Hollywood-Darstellungen und Fantasievorstellungen entfernt und einen anderen Weg eingeschlagen. [ 19 ] Die überwiegende Mehrheit der modernen Exoskelette ähnelt eher tragbaren Werkzeugen als Superheldenanzügen oder Hollywood-Exoskeletten (z. B. Iron Man , Edge of Tomorrow ).

Diese tragbaren Hilfsmittel bieten zwar Vorteile, jedoch nur für bestimmte Anwendungsfälle. Beispielsweise kann bei einer Wadenmuskelschwäche nach einem Schlaganfall ein Knöchelexoskelett hilfreich sein. Arbeitet jemand in der Fertigung über Kopf, kann ein Schulterexoskelett von Nutzen sein. Und wer in einem Lager oder Logistikzentrum Material bewegt, kann von einem Rückenexoskelett profitieren.

Die meisten Exoskelette sind nicht für den ganztägigen, täglichen Gebrauch konzipiert, sondern (wie die meisten anderen Hilfsmittel) für spezifische Zwecke und bestimmte Aufgaben oder Aktivitäten. Daher sind die meisten modernen Exoskelette darauf ausgelegt, einen bestimmten Körperbereich oder bestimmte Aufgaben zu unterstützen, nicht den gesamten Körper zu ergänzen oder alle Bewegungen oder Aktivitäten zu verbessern.

Im frühen 21. Jahrhundert zeichneten sich mehrere wichtige Trends bei Exoskeletten ab. Motorbetriebene Exoskelette wurden so leicht und erschwinglich, dass sie für medizinische, industrielle und Freizeitzwecke eingesetzt werden konnten. Medizinische Exoskelette erwiesen sich als ausreichend sicher, um behördliche Zulassungen (z. B. FDA-Zulassung [ 126 ] ) zu erhalten, und boten ausreichende Vorteile, um für bestimmte Anwendungen eine Kostenerstattung durch die Krankenkasse zu erhalten. [ 130 ] [ 131 ] Passive Exoskelette gewannen an Popularität, da sie leichter, günstiger und weniger komplex als motorbetriebene Exoskelette waren. [ 54 ] Weiche Exoskelette gewannen an Popularität, da sie leichter, weniger sperrig und weniger einschränkend als starre Exoskelette waren. [ 132 ] [ 133 ] Der Fokus lag verstärkt darauf, wie Exoskelette optimal in die Gesellschaft integriert werden können. Dabei wurden Aspekte wie Geräteanpassung, Schulung, Aufklärung der Beteiligten, soziale Akzeptanz, Wartung, Reinigung, Finanzen und Change-Management berücksichtigt. [ 1 ] [ 29 ] Der Einsatz von Exoskeletten in der Praxis hat deutlich zugenommen, insbesondere im medizinischen und arbeitsmedizinischen Bereich, von einer vernachlässigbaren Nutzung um das Jahr 2000 auf schätzungsweise Hunderttausende von Exoskeletten, die Mitte der 2020er Jahre weltweit im Einsatz waren, [ 67 ] wobei erwartet wird, dass die Nutzung von Exoskeletten bis in die 2030er Jahre auf Millionen ansteigen wird. [ 67 ]

Ein kurzer, unvollständiger Überblick über die Geschichte von Exoskeletten für die unteren Extremitäten zwischen 2013 und 2020, wobei angebundene (blau) und ungebundene (rot) Exoskelette hervorgehoben werden, die untersucht wurden und bei denen eine Verbesserung der Geh- und/oder Laufökonomie im Vergleich zum Nichttragen eines Exoskeletts festgestellt wurde [ 61 ].

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts erfuhr die Forschung an Exoskeletten einen signifikanten Aufschwung [ 44 ] und legte die wissenschaftlichen und klinischen Grundlagen hinsichtlich Sicherheit, Nutzen und Wirksamkeit. Universitäten und medizinische Zentren weltweit spielten eine zentrale Rolle in der Grundlagenforschung und -entwicklung. Darauf folgte ein Trend hin zu groß angelegten Langzeitstudien zu Exoskeletten in Industrie, Klinik und Alltag [ 134 ] . Mittlerweile liegen umfangreiche Forschungsergebnisse aus Wissenschaft und Industrie sowie wissenschaftliche und longitudinale Belege für die Auswirkungen von Exoskeletten auf Rehabilitation, Leistungssteigerung und Verletzungsrisikominderung vor [ 135 ] [ 136 ] .

Anfang des 21. Jahrhunderts entstanden neue Exoskelett-Kategorien, beispielsweise für Freizeit, Forschung und Bildung. [ 137 ] Obwohl einige dieser Geräte schon lange konzipiert wurden, sind sie erst seit Kurzem auf dem Markt erhältlich. [ 137 ] Konzepte für Freizeit-Exoskelette lassen sich beispielsweise bis mindestens ins 19. Jahrhundert zurückverfolgen, wurden aber erst Anfang des 21. Jahrhunderts kommerziell verfügbar. Ende der 2010er-Jahre kamen Ski-Exoskelette auf den Markt, die es Skifahrern ermöglichen, länger oder mit weniger Kniebelastung zu fahren. [ 138 ] Anfang der 2020er-Jahre erschienen auch Exoskelette zur Unterstützung beim Gehen, Laufen und Wandern. Einige Freizeit-Exoskelette werden direkt an Endverbraucher verkauft, andere an Unternehmen wie Skihütten oder Wanderparks, die sie dann an Besucher vermieten. Anfang 2025 befanden sich viele dieser Exoskelette für den Freizeitbereich zur Unterstützung der Fortbewegung noch im Vorproduktstadium oder waren Produkte, die erst kürzlich auf den Markt gekommen waren.

Im Jahr 2025 werden über 100 Exoskelett-Produkte auf dem Markt sein, die sich hinsichtlich Größe, Komplexität, Kosten und anderer Merkmale stark unterscheiden. [ 43 ] Da jedoch ständig neue Produkte auf den Markt kommen und andere vom Markt verschwinden oder durch neuere Modelle ersetzt werden, ist es schwierig, die genaue Anzahl der verfügbaren Exoskelette zu ermitteln. Diese verschiedenen Exoskelette werden von Dutzenden von Unternehmen weltweit entwickelt und hergestellt, von Start-ups bis hin zu etablierten Firmen. Darüber hinaus existiert ein wachsendes Netzwerk von Unternehmen, die sich auf den Vertrieb, den Wiederverkauf und die Implementierung von Exoskeletten spezialisiert haben.

Die meisten modernen Exoskelette werden im medizinischen, Freizeit- oder beruflichen Bereich eingesetzt. Medizinische Exoskelette dienen vielfältigen unterstützenden und rehabilitativen Zwecken und verfügen in verschiedenen Ländern über behördliche Zulassungen und Erstattungscodes der Krankenkassen. Moderne Freizeit-Exoskelette wurden für Skifahren, Wandern und Laufen entwickelt. Moderne berufliche Exoskelette unterstützen Beine, Rücken, Arme, Hände oder Nacken und erleichtern die Werkzeughandhabung bei körperlich anstrengenden Arbeiten. Es gibt zunehmend Hinweise darauf, dass berufliche Exoskelette bei bestimmten Tätigkeiten arbeitsbedingte Muskel-Skelett-Erkrankungen reduzieren und die Leistung und Produktivität der Beschäftigten steigern können. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] Dennoch gelten Exoskelette im Arbeitsumfeld auch 2025 noch als Zukunftstechnologie. [ 139 ] Berufliche Exoskelette werden entweder als tragbares Arbeitsmittel oder als ergonomische Maßnahme zur Ergänzung traditioneller ergonomischer Programme und Interventionen eingesetzt. Wie jede neue Technologie haben auch Exoskelette im frühen 21. Jahrhundert sowohl Erfolge als auch Misserfolge erlebt. Insgesamt verzeichnet der Exoskelett-Markt jedoch ein starkes Wachstum, und Exoskelette werden in der Gesellschaft zunehmend sichtbarer und verbreiteter. [ 54 ] [ 67 ]

Siehe auch

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Weiterführende Literatur

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