Das Gewicht nach vorne tragen: Die magische Funktion von Exoskeletten

Der Körper eines normalen Erwachsenen besteht aus 206 Knochen und jede unserer Bewegungen hängt weitgehend von der komplexen Struktur und reibungslosen Funktion dieser Knochen ab. Unsere menschlichen Knochen sind jedoch tief im Haar, der Haut und den Muskeln verborgen. An für das menschliche Auge unsichtbaren Stellen sind sie auf die Kraft des Nervensystems und des Muskelgewebes angewiesen, um unseren Körper stark zu stützen und uns so zu ermöglichen, uns zu beugen, zu strecken und aufrecht zu stehen.

Ein mechanisches Exoskelett oder angetriebenes Exoskelett ist ein mechanisches Gerät aus einem Stahlrahmen, das eine Person tragen kann und das zusätzliche Energie für die Bewegung der Gliedmaßen bereitstellen kann. Mit diesem „Anzug“ können Menschen zu sogenannten „Iron Men“ werden.

Exoskelett – wie der Name schon sagt: Bedeutet das, dass die Knochen außerhalb des Körpers wachsen? Dies ist tatsächlich der Fall. Das Skelett pelziger Lebewesen wie uns Menschen kann als Endoskelett bezeichnet werden. Allerdings haben die Schüler viele Lebewesen mit Exoskeletten gesehen.

Welche Arten von Lebewesen haben Exoskelette? In ihrem natürlichen Zustand umfassen Exoskelette Insekten (wie Käfer und Kakerlaken) und Krebstiere (wie Garnelen und Krabben), die eine harte Schale oder „Haut“ haben. Die harte Körperwand, die die Oberfläche von Exoskelettorganismen bedeckt, besteht aus drei Teilen: der Epidermiszellschicht, der Basalmembran und dem Stratum corneum. Die Zellschicht der Epidermis besteht aus einer Schicht lebender Zellen, die nach innen einen dünnen Film, die sogenannte Basalmembran, und nach außen eine dicke Hornschicht absondern. Das Stratum corneum verhindert nicht nur die Verdunstung von Wasser im Körper und schützt die innere Struktur, sondern kann auch mit den an der Innenwand befestigten Muskeln zusammenarbeiten, um verschiedene Bewegungen auszuführen. Es hat eine ähnliche Funktion wie die Knochen bei Wirbeltieren und wird daher als Exoskelett bezeichnet. Auch die Exoskelette von Krebstieren enthalten viel Kalzium, die von Insekten hingegen fast kein Kalzium.

Alle Lebewesen in der Natur haben sich über einen langen Zeitraum entwickelt. Was ist der Unterschied zwischen diesen Exoskeletten, die sich stark von den Endoskeletten des Menschen unterscheiden? Der Hauptunterschied zwischen Endoskelett und Exoskelett ist die Sicherheit. Das Exoskelett von Insekten und Krabben ist ein Organ, das als Panzerung dient und dem Organismus gleichzeitig ein Gerüst oder eine Struktur bietet. In gewisser Weise könnte man die Vollmetallrüstung eines Ritters als Exoskelett bezeichnen, da sie eine harte Schale oder Haut zum Schutz des Ritters im Kampf bietet. Auch Raumanzüge und Oberbekleidung für das Tiefseetauchen gelten als Exoskelette, da sie dem menschlichen Körper dabei helfen, unter extrem harten äußeren Bedingungen normal zu funktionieren. Menschen sind sehr gut im Lernen, Nachahmen und Erfinden. Was haben uns Exoskelette gelehrt? Was haben die Wissenschaftler vor diesem Hintergrund herausgefunden? Die Antwort wird Sie überraschen! Wissenschaftler haben die Forschung und Anwendung von Exoskeletten weiter ausgebaut. Exoskelette werden zunehmend mit „Superausrüstung“ oder Systemen in Verbindung gebracht, die dazu dienen, die physiologischen Funktionen einer Person zu erweitern und zu verbessern. Sie helfen einer Person, schwerere Lasten zu heben oder zu tragen, schneller zu laufen und höher zu springen.

Beim Militär beispielsweise werden Exoskelette den Soldaten helfen, besser zu kämpfen, da sie besser geschützt sind, mehr Waffen und Ausrüstung tragen können und über eine größere körperliche Kraft verfügen als normale Menschen. Das individuelle Exoskelettsystem für chinesische Soldaten wurde erfolgreich entwickelt und Zusatzgeräte können bei Bedarf hinzugefügt werden. Die Ausrüstung verfügt bei Nennlast über eine durchschnittliche Geschwindigkeit auf ebenem Boden von 4,5 Kilometern pro Stunde und eine Reichweite auf ebenem Boden von 20 Kilometern. Dieses neue Exoskelettsystem ist mittlerweile für die Ausrüstung von Truppen geeignet und kann Aufgaben wie individuelle Patrouillen auf Hochebenen und in den Bergen sowie das Überwinden von Hindernissen übernehmen. Die Grenzverteidigungskräfte meines Landes haben Ende 2020 durch den praktischen Einsatz in der Ali-Region Tibets auf einer Höhe von 5.000 Metern festgestellt, dass individuelle Exoskelett-Ausrüstung die individuelle Tragfähigkeit von Plateau-Truppen erheblich erhöhen und die individuellen Aufklärungsfähigkeiten verbessern kann.

Experimentelle Forschung zum Exoskelett (Fotoquelle: Visual China)

In der medizinischen Rehabilitation werden Exoskelette üblicherweise aus Materialien wie Metall oder Kohlefaser hergestellt. Sie können wie Kleidung am Körper getragen werden. Sie können die menschliche Mobilität verbessern und das Gewicht reduzieren. Sie können Menschen mit Krankheiten wie Multipler Sklerose und schwerer Arthritis helfen, Mobilitätsschwierigkeiten zu überwinden. Exoskelette sind insbesondere für manche behinderte ältere Menschen von großer Bedeutung. Mit seiner Hilfe können sich Behinderte und ältere Menschen in ihrem täglichen Leben frei bewegen, beispielsweise beim Gehen, Treppensteigen und Tragen von Gewichten.

Die leistungsstarken Funktionen und vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten des Exoskeletts haben das Interesse von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt geweckt. Die Länder haben eine große Zahl wissenschaftlicher und technologischer Eliten organisiert, um Forschung und Entwicklung voranzutreiben. Dabei sind tragbare Exoskelett-Ausrüstungen und Exoskelett-Roboter, die laufen und springen können, in unser Blickfeld gerückt.

Mit der Weiterentwicklung der Exoskelette werden diese immer perfekter. Wenn Sie eines Tages alte Menschen sehen, die diese Exoskelette tragen und fröhlich im Park Tai Chi praktizieren, oder wenn Sie einen Exoskelett-Roboter sehen, der Ihre Expresslieferung hält und zügig auf Sie zuläuft, dann wundern Sie sich nicht, denn das ist die Macht der Wissenschaft und Technologie und es ist auch die Verkörperung des Zwecks von Wissenschaft und Technologie, der Menschheit zu nützen.

Welche Technologien werden in Exoskelett-Geräten verwendet?

Zur Ausstattung des Exoskeletts gehören Kraftsensoren, Wahrnehmungs- und Beurteilungsgeräte, Steuergeräte, Übertragungsgeräte und Antriebsvorrichtungen, die dem Träger beim Gehen, Bergauf- und Bergabgehen oder Krabbeln unter hoher Belastung helfen können. Zu den Antriebstechnologien der Exoskelett-Ausrüstung gehören Hydraulikantrieb, pneumatischer Antrieb und Elektromotorantrieb. Die Integration dieser Technologien stellt sicher, dass sich das Exoskelett „bewegen“ kann, und effiziente Energie- und Energiemanagementtechnologien machen das Exoskelettsystem leistungsfähiger. Einige der neuesten Exoskelett-Geräte sind mit Sensoren ausgestattet, die Echtzeitdaten wie Puls, Blutdruck und Atemfrequenz des Benutzers erfassen können, und sind mit Technologien wie Informationskopplung und mobilem Computing ausgestattet.