Die einen leben mit bionischen Arm- oder Beinprothesen, die sogar komplexe Bewegungsfunktionen übernehmen können. Andere streifen sich täglich ein tragbares Exoskelett über, zu Reha-Zwecken oder aber zur Entlastung und Unterstützung im körperlich beanspruchenden Berufsalltag. Denn in manchen Jobs strapazieren Menschen täglich ihr Muskel-Skelett-System. Sie schleppen oder stapeln Pakete, Koffer oder Baumaterialien. Sie montieren stundenlang über Kopf oder in vorgebeugter Haltung. Oder sie helfen in Pflegeberufen gesundheitlich eingeschränkten Patienten bei der Bewältigung des Alltags. In solchen Bereichen können Exoskelette entlasten, unterstützen und gesundheitlichen Schäden vorbeugen. ABI Research schätzt, dass bis 2030 die weltweiten Umsätze in diesem aufstrebenden Markt mehr als 7 Mrd. US-Dollar betragen werden, wobei industrielle Anwendungsfälle ein wichtiger Katalysator sind. Bis 2030 soll der Umsatz mit aktiven Exoskeletten 5 Mrd. US-Dollar übersteigen und damit fast doppelt so hoch sein wie der mit passiven Geräten.

Anfänge der Exoskelett-Entwicklung

Historisch betrachtet, stammen erste Versuche mit Exo-, also Außenskeletten, aus dem militärischen Umfeld. Ein Segment, das vor allem von staatlichen Akteuren vorangetrieben wird und hier nicht weiter betrachtet wird.

Die ersten marktreifen Exoskelette entstanden im Rehabilitations-Umfeld, um Menschen nach Unfällen, Schlaganfällen oder bei Gehbehinderungen wieder mobil zu machen. Inzwischen werden tragbare, unterstützende Reha-Exoskelette in rasantem Tempo weiterentwickelt. In der Regel werden sie direkt mit dem Körper der Patienten verbunden und unterstützen Beine, Wirbelsäule und Rumpf, um Bewegungsmuster zu korrigieren und ein intensives Gehtraining zu ermöglichen. Ziel ist es, motorische Funktionen wieder aufzubauen und körperliche Autonomie zurückzugewinnen. Zu den Pionieren auf diesem Gebiet zählt das US-amerikanische Unternehmen EksoBionic. Das ‚EksoNR‘ beispielsweise ist ein robotergestütztes Exoskelett, das speziell für den Einsatz in Rehabilitationseinrichtungen entwickelt wurde. Als erstes Exoskelett besitzt es laut Hersteller eine FDA-Zulassung für die Therapie von Patienten mit erworbenen Hirnverletzungen, Schlaganfällen, Multipler Sklerose (MS) und Rückenmarksverletzungen.

Exoskelette für die Arbeitswelt

Das ‚Cray X‘ im Einsatz im Fiege Mega Center Ibbenbüren.

© German Bionic

Etwas jünger ist der Markt der Exoskelette für die Arbeitswelt, der in den letzten fünf Jahren jedoch rasant gewachsen ist. Im Fokus von Forschung und Entwicklung stehen hierbei der Arbeitsschutz und die Gesundheitsprävention an manuellen, nicht automatisierbaren Arbeitsplätzen. Denn nahezu sämtliche Branchen und Industrien in den westlichen Industrieländern, die auf manuelle Arbeitsplätze angewiesen sind, sind derzeit mit einem gravierenden Arbeitskräftemangel konfrontiert. Dieser wird dadurch verschärft, dass Arbeitskräfte älter werden oder verletzungsbedingt vorübergehend oder dauerhaft aus dem Erwerbsleben ausscheiden.

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation (WHO) sind Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) die Hauptursache für Arbeitsunfähigkeit bei rund 1,71 Mrd. Menschen weltweit. Nach Angaben der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA 2022) verursachen MSE in Deutschland jährlich einen geschätzten Produktionsausfall von 19,6 Mrd. Euro und einen Verlust an Bruttowertschöpfung von 32,5 Mrd. Euro. Mit zunehmender Alterung der Bevölkerung werden diese Zahlen weiter steigen.

Prof. Dr. Herbert Schuster, Präventivmediziner und Mitglied des wissenschaftlichen Beirats des Verbands der Exoskelett-Industrie (VDEI), erklärt: „Zu den wichtigsten ergonomischen Risikofaktoren gehören häufige repetitive Tätigkeiten, hoher Kraftaufwand und ergonomisch ungünstige Körperhaltungen. Exoskelette werden eingesetzt, um diese Risikofaktoren zu vermeiden. Insbesondere aktive, also durch Motoren unterstützte, Exoskelette können die muskuläre Belastung und den Energieaufwand bei körperlich beanspruchenden Tätigkeiten reduzieren und schützen so vor Arbeitsunfällen und arbeitsbedingten Muskel-Skelett-Verletzungen.“

Exoskelette in der Pflege

Die Echtzeitdaten, die über die vollständige Vernetzung der Exoskelette zugänglich sind, helfen Teams und Unternehmen beim Sicherheitsmanagement. Über ein Display erhalten die Arbeitskräfte während des Einsatzes beispielsweise individuelle Empfehlungen. Hier: das ‚Apogee‘.

© German Bionic

Noch relativ frisch sind Forschung und Entwicklung dabei, Exoskelette zielgerichtet den spezifischen Bedingungen in der Alten- und Krankenpflege anzupassen – und umgekehrt. Denn im sensiblen Bereich der Pflege ist eine bestmögliche Koordination zwischen Mensch und Maschine auch für die Akzeptanz bei den Patienten unverzichtbar. Wie sich beide Bereiche optimal aufeinander abstimmen lassen, hat das Berliner Universitätsklinikum Charité in einer kürzlich abgeschlossenen Studie erforscht, an der auch German Bionic beteiligt war. Wichtige Features besitzt bereits das neue ‚Apogee+‘ von German Bionic, ein speziell für die Pflege entwickeltes aktives Exoskelett, das im Juni 2023 vorgestellt wird.

Vergleichs-Website gibt Überblick

Auf dem mittlerweile vielseitigen Exoskelett-Markt fällt es Unternehmen zunehmend schwer, die richtige Wahl zu treffen. Der Verband der Exoskelett-Industrie (VDEI) hat deshalb die Vergleichs-Website exo-guide.com gestartet, die unabhängig und nicht-kommerziell einen Branchenüberblick bietet. „Um die geeignete Systemlösung für das eigene Unternehmen zu finden, ist es wichtig, sich den jeweiligen Arbeitsplatz und Anwendungsfall genau anzusehen“, sagt Prof. Dr. Herbert Schuster. „Welche Wirkung soll erzielt werden? Was braucht man für den konkreten Einsatz? Gibt es spezifische Rahmenbedingungen im Arbeitsumfeld? Wie flexibel sollen die Exoskelette sein?“

Passives oder aktives Exoskelett?

Die German Bionic IO informiert aktuell zu jeder Schicht: mit Daten zu Betriebsstunden der Exoskelette, Gewichtskompensation, Hebevorgängen und Schritten. Mit Hilfe der benutzerdefinierten Dashboards lassen sich Risikofaktoren in Workflows, neue Arbeitsschutzmaßnahmen und deren Mehrwert einfach ermitteln.

© German Bionic

Eine wichtige Unterscheidung ist jene zwischen rein mechanischen oder passiven Exoskeletten und robotischen oder aktiven Exoskeletten. Dabei geht es um die Art der Energiequelle, die auch Einfluss auf die Einsatzmöglichkeiten hat.

Passive oder mechanische Exoskelette leiten die benötigte Kraft über Seilzüge, Federn oder Dämpfer um. Die Lastenkompensation ist in der Energiebilanz also ein Nullsummenspiel. Aufgrund der recht einfachen mechanischen Funktionsweise sind sie leichter und, da es inzwischen relativ viele Anbieter – auch aus China – gibt, kostengünstig in der Anschaffung. Passive Exoskelette eignen sich vor allem gut für statische Aufgaben wie beispielsweise die Über-Kopf-Arbeit.

Aktive oder robotische Exoskelette hingegen kombinieren mechanische Strukturen mit akkubetriebenen Elektromotoren und sind Software- und Sensoren-gesteuert. Entwickelt wurden sie in interaktiver Forschung speziell für repetitive Hebe- und Tragetätigkeiten mit schweren Lasten, die den unteren Rücken stark belasten. Sie fügen der Körperkraft der Arbeitenden zusätzliche Energie hinzu, tragen dadurch aktiv zu ausdauernder Arbeit ohne Überlastungsgefahr bei, vermeiden Belastungsspitzen und beugen Fehlern oder gar Verletzungen vor, die aus Ermüdung entstehen. Dies macht neben dem Arbeitsschutz auch das Arbeitsergebnis besser.

Die anfänglich noch etwas sperrigen Modelle sind mittlerweile leichteren und komfortablen Modellen gewichen. So lassen sie sich flexibel auch in dynamischen Arbeitsumgebungen einsetzen. Aktive Exoskelette unterstützen in der Logistik und Intralogistik, bei der Montage von Reifen, beim Gepäckhandling am Flughafen oder bei der Paketzustellung. Staub- und wasserdichte Modelle unterstützen auch auf dem Bau. „Um zu erklären, wie ein aktives Exoskelett funktioniert, ziehe ich gern den Vergleich zwischen einem Fahrrad und einem E-Bike heran“, erklärt Prof. Dr. Herbert Schuster: „Wie beim E-Bike wird auch bei der Nutzung aktiver Exoskelette der eigenen Muskelkraft flexibel justierbar Kraft hinzugefügt.“

Exoskelette für flexible Anwendungsfälle

Die meisten Exoskelette sind technisch darauf fokussiert, bestimmte lokale Muskelgruppen zu entlasten – die Schultern beim Über-Kopf-Arbeiten oder den unteren Rücken beim Heben und Tragen. Allrounder mit Unterstützung mehrerer Körperregionen hingegen sind an flexiblen und dynamischen Arbeitsplätzen gefragt, die neben repetitiven Hebe- und Tragetätigkeiten auch weite Laufwege oder gegebenenfalls längeres Arbeiten in vorgebeugter Haltung beinhalten.

Über-Kopf-Schulter-Exoskelette entlasten den Rücken- und Nackenbereich, zum Beispiel im Automobilbau bei Arbeiten an der Karosserie. Die meist passiven Systeme nutzen regenerative Kräfte, um die Belastung auf robustere Körperbereiche wie die Hüften zu übertragen. Dabei fixieren und stützen sie die Arme und Schultern über einen längeren Zeitraum hinweg. Sie gehören zu den ersten Exoskeletten, die weltweit in der Produktion auf breite Akzeptanz stießen. So war Toyota Motor North America im Jahr 2020 das erste Unternehmen, das Exoskelette als obligatorische persönliche Schutzausrüstung (PSA) einführte. Ein innovatives Beispiel für ein passives Exoskelett ist das ‚Mate-XT‘ von Comau, das aus einem schweiß- und staubabweisenden Gewebe besteht und insbesondere bei Über-Kopf-Arbeiten unterstützt, etwa in der Montage, im Bauhandwerk oder in der Landwirtschaft.

Exoskelette für den unteren Rücken entlasten lokale Muskelgruppen im Lendenwirbelbereich, um bei repetitiven Hebe- und Tragetätigkeiten zu schützen. Ein Beispiel für eine passive tragbare Brust- und Rückenstütze, die sich an unterschiedliche Körperhaltungen anpasst, ist das ‚Laevo‘. Die Entlastung vollzieht sich über eine Gasdruckfeder: Beim Beugen des Rückens oder beim In-die-Hocke-Gehen wird sie vorgespannt, beim Aufrichten wird die Energie wieder abgegeben.
 

Extra-Power durch hybride Automatisierung

Beispiele für aktive Modelle, die beim Heben, Tragen und bei längerem Arbeiten in vorgebeugter Haltung unterstützen, sind die Exoskelette ‚Cray X‘ und ‚Apogee‘ von German Bionic. Die Sensorik- und Software-gesteuerten Geräte passen sich selbstlernend an sämtliche Körpertypen und Arbeitsumgebungen an. Sie unterstützen aktiv bis zu 30 kg pro Hebevorgang und sind zudem vernetzt, wodurch Echtzeitdaten erfasst und analysiert werden können. Diese Ergonomie-Echtzeitdaten ermöglichen mehr Sicherheit am Arbeitsplatz. Eine zusätzliche selbstlernende KI-Komponente gibt individuelle Empfehlungen und zeigt Optimierungspotenziale in Arbeitsabläufen auf.

Insgesamt handelt es sich dabei um einen Ansatz hybrider Automatisierung: Dort, wo Automatisierung an ihre Grenzen stößt, werden körperlich hart arbeitende Menschen mit smarten Wearables und robotischen Exoskeletten ergonomisch entlastet und zugleich KI-basiert, vernetzt und sicher in digitale Prozesse integriert.

Der Autor: Eric Eitel verantwortet als Head of Global Communications die Öffentlichkeitsarbeit von German Bionic.

© German Bionic

Last but not least erzeugen Exoskelette über ihre reine Funktionalität hinaus Effekte der Inklusion, indem sie gesellschaftliche Gruppen für den Arbeitsmarkt erschließen, die sich traditionell in bestimmten Berufsfeldern ausgeschlossen fühlen. Prognosen zufolge wird die menschliche Augmentation weiter fortschreiten – und Exoskelette avancieren zu einem Bestandteil unseres Lebens.