Fackelträger bei den Paralympics und ihre Roboterarme und -beine

Am letzten Tag des Fackellaufs der Paralympischen Winterspiele in Peking gab es am Morgen etwas Besonderes bei den Fackelträgern. Die Fackelträgerin, die mit einem Exoskelett ausgestattet ist, das ihre oberen Gliedmaßen antreibt, heißt Peng Yuanyuan und hält die Fackel fest in ihrer mechanischen Hand. Eine weitere Fackelträgerin heißt Yang Shuting und verwendet zum Stehen und Gehen ein Exoskelett mit Antrieb durch die unteren Gliedmaßen, wobei die Fackel in das mechanische Zubehör an ihrer Hüfte eingesetzt ist.

Zwei Fackelträgerinnen übergaben die Fackel mit Hilfe von Exoskeletten｜Oriental IC

Laut Angaben der für die Veranstaltung zuständigen Personen absolvierte Peng Yuanyuan ein neunmonatiges Anpassungstraining mit dem Exoskelett, um ein selbstständiges Greifen zu erlernen. Yang Shuting hingegen, der an einer Querschnittslähmung der unteren Extremitäten leidet, verbrachte fünf Monate damit, das Exoskelett für die unteren Extremitäten „einzulaufen“ und ist nun in der Lage, aufrecht zu gehen und die Fackel erfolgreich weiterzugeben.

Diese komplexen mechanischen Strukturen haben eine harmonische „symbiotische“ Beziehung mit den Fackelträgern aufgebaut: Diese mechanischen Geräte können prompt auf die Aktionen reagieren, die diese ausführen möchten, ihre physischen Körper jedoch nicht ausführen können, ganz wie eine natürliche Erweiterung menschlicher Funktionen.

Bei der Eröffnungsfeier der Fußballweltmeisterschaft 2014 in Brasilien gelang es einem gelähmten Teenager, das Spiel mit Hilfe eines gehirngesteuerten Exoskeletts erfolgreich anzustoßen.

Ein gelähmter Teenager, der ein gehirngesteuertes Exoskelett trägt, eröffnet das Spiel mit Stil | Video-Screenshot

Exoskelette sind nichts Neues. Die Menschheit begann in den 1960er Jahren, diese Technologie zu erforschen.

Tragbarer Roboter

Das menschliche Skelett ist von Haut und Muskeln bedeckt und wird als Endoskelett bezeichnet. Bei Arthropoden wie Krabben und Skorpionen liegt das Skelett auf der Körperoberfläche „freigelegt“. Diese segmentierte und harte Außenschale wird Exoskelett genannt. Dieser biologische Begriff wurde später direkt für mechatronische Geräte verwendet, die am menschlichen Körper installiert sind.

Einfach ausgedrückt ist ein Exoskelett ein tragbarer Roboter, der den Körper des Benutzers stützen und schützen und menschliche Funktionen ergänzen kann. Darüber hinaus kann es über Sensoren die Bewegungsabsichten des Benutzers „lesen“, seine Bewegungen unterstützen oder sogar verstärken und so die menschlichen Funktionen verbessern.

Beispielsweise können Menschen, die ihre Beine verloren haben, stehen und gehen, indem sie Exoskelette für die unteren Gliedmaßen tragen. Normale, dünne Menschen können durch das Tragen von Exoskeletten mehr Gewicht tragen als Gewichtheber-Champions.

Die Forschung und Entwicklung der Exoskelett-Technologie begann in den 1960er Jahren. Das repräsentative Projekt war „Hardiman“, das vom US-Verteidigungsministerium unterstützt und von General Electric und der Cornell University umgesetzt wurde. Sie haben den Prototyp eines Exoskeletts entwickelt, das Soldaten beim Heben schwerer Gegenstände helfen soll: Es kann die menschliche Kraft um das 25-fache verstärken und das Heben von 110 Kilogramm ist so, als würde man einen großen Sack Äpfel heben.

Hardiman-Prototyp | Netzwerk

Das Hardiman-Exoskelett hat eine Tragfähigkeit von 682 kg, wiegt selbst jedoch 680 kg. Es handelt sich um ein Ganzkörper-Exoskelett mit komplexen Metallgelenken, 28 Gliedern, hydraulisch und elektrisch angetrieben und mit einem Force-Feedback-Sensorsystem ausgestattet. Ein so großes Gerät kann sich nur mit 0,76 Metern pro Sekunde bewegen. Auch die Reaktionsgeschwindigkeit kann nicht garantiert werden. Normalerweise lässt sich das Schultergelenk bewegen, der Ellenbogen jedoch nicht, was zu einem Verlust der Konzentration führt. Für militärische Szenarien ist das schlicht eine Katastrophe. Viele wissenschaftliche Forschungseinrichtungen haben die Grenzen der aktuellen Technologie erkannt und beginnen, sich medizinischen Rehabilitationsszenarien zuzuwenden, wie etwa der Konstruktion stehender Exoskelette für Querschnittsgelähmte und der Entwicklung elektrisch betriebener Prothesen.

Das Exoskelett ist kein „Einzelkämpfer“-System einer bestimmten Technologie, sondern ein Produkt hochintegrierter Computertechnik, Sensorik, Mensch-Maschine-Kollaboration und Energietechnik. Bis zum Jahr 2000 wurden bei der für Exoskelette erforderlichen Technologie bahnbrechende Fortschritte erzielt. Laut BLEEX, einem von der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) finanzierten Projekt, wurden die Komponenten stark miniaturisiert, flexibler und intelligenter.

BLEEX Exoskelett｜Wevolver

Gleichzeitig haben Exoskelette begonnen, die Labore zu verlassen und nach und nach wurden repräsentative Unternehmen wie ReWalk, CYBERDYNE und Ekso Bionics gegründet. Exoskelett-Produkte decken Szenarien wie militärische Zusammenarbeit, medizinische Rehabilitation, Katastrophenhilfe und Fabrikfertigung ab.

Was steckt in einem Exoskelett?

Das Exoskelett ist wie ein „Leben“, das an einem Menschen befestigt ist – es verfügt über ein sehr komplettes System, das wahrnehmen, steuern und antreiben kann. Es verfügt außerdem über einen Computer, der als „Gehirn“ fungiert, eine mechanische Struktur, die das menschliche Skelett simuliert, und Aktuatoren, die Muskeln simulieren.

Zum Antrieb von Exoskelett-Robotern werden im Allgemeinen Batterien, Kraftstoff und Verbrennungsmotoren verwendet. Moderne Exoskelette sind in der Regel präzise mit Sensor-, Steuerungs-, Betätigungs- und mechanischen Systemen integriert. Über den gesamten Körper verteilte Sensoren erfassen in Echtzeit Informationen zur Körperhaltung, Kraft, Bewegungstrends und anderen Daten, die dann an den eingebauten Computer oder das Kontrollzentrum des Geräts übermittelt werden. Das „Gehirn“ beginnt mit der Analyse und ermittelt dann die Absicht des Körpers, die Komponenten des Exoskeletts anzutreiben. Im Allgemeinen geschieht dies durch Motoren und Hydraulik, um die Maschinerie anzutreiben und entsprechende Aktionen auszuführen.

Nehmen wir als Beispiel eine echte Patientin: Im Oktober letzten Jahres filmte der Weibo-Benutzer @几木朵_ ein Video von ihr, wie sie versuchte, mit Hilfe eines Exoskeletts zu gehen, was eine hitzige Diskussion auslöste. Sie sagte, der Arzt habe ihr vor zwölf Jahren eine lebenslange Lähmung bescheinigt. Zu dieser Zeit konnte sie sich beim Aufstehen nur auf ein Stehbett verlassen. Erst im letzten Jahr begann sie, ein Exoskelett für die unteren Gliedmaßen auszuprobieren und erlebte erneut das lange verlorene Gefühl, selbstständig gehen zu können. „Ich habe weitergeweint, nachdem ich aus dem Bett gestiegen bin.“

Weibo des Weibo-Benutzers @几木朵_

Wie im Video zu sehen ist, gibt es neben den mechanischen Gelenken, die sich in der Nähe der Oberschenkel befinden, auch Armlehnen und untere Seilzüge, mit denen ihr Körper gestützt werden kann. Die Sensoren ermitteln zunächst ihre Kraftrichtung und Körperhaltung und passen sich dann ihren ersten Schrittbewegungen an. Darüber hinaus bietet dieses für das Rehabilitationstraining verwendete Exoskelett auch Modi wie „Constraint-Training“ und „Resistance-Training“. Bei ersterem muss der Patient die vom Programm vorgegebenen Schritte befolgen und die Amplitude schrittweise erhöhen. Bei Letzterer muss der Patient gegen den Widerstand des Geräts ankämpfen, wodurch die unteren Gliedmaßen trainiert und die motorischen Nerven kontinuierlich stimuliert werden.

Laut dem Blogger beträgt der Preis dieses Exoskeletts „mehr als 100.000 Yuan“. Auch auf anderen Märkten weltweit sind die Preise für Exoskelette zur medizinischen Rehabilitation im Allgemeinen hoch. Der HAL 5 von CYBERDYNE kostet etwa 20.000 US-Dollar, während der von Ekso mehr als 100.000 US-Dollar kostet.

Die hohen Kosten hängen damit zusammen, dass das Exoskelett-System bisher noch keinen revolutionären Design-Durchbruch gebracht hat. Derzeit ist die Struktur des Exoskeletts noch schwer und komplex und die anhaltende Leistungsabgabekapazität korreliert positiv mit dem Produktvolumen. Mit anderen Worten: Mit der aktuellen Technologie ist es nicht möglich, eine sinnvollere Miniaturisierung und ein geringeres Gewicht zu erreichen, was immer noch eine erhebliche Belastung für den menschlichen Körper darstellt.

Kleines Mädchen trägt ein Exoskelett für die unteren Gliedmaßen｜Internet

Das größte Problem bei Exoskeletten ist die Sicherheit. Ich denke, dass Kosten, Energie, Materialien usw. nach und nach gelöst oder reduziert werden, sobald die Sicherheitsprobleme gelöst sind und Exoskelette auf den Markt kommen. Das kritischste Sicherheitsproblem ist das Gleichgewicht und mögliche Folgeverletzungen. Ein Forscher, dessen fünfjährige Doktorarbeit sich mit Rehabilitationsexoskeletten beschäftigte, schrieb auf Zhihu.

Entwicklung bei Sportveranstaltungen

Um Exoskelette leichter, kleiner, komfortabler und sicherer zu machen, suchen Wissenschaftler aktiv nach Möglichkeiten, sie zu verbessern. Beispielsweise begannen Forscher des California Institute of Technology und der Tsinghua-Universität mit Algorithmen. Im Jahr 2020 schlugen sie einen Algorithmus namens „COSPAR“ vor, der das Modell auf der Grundlage von Benutzerfeedback aktualisiert und es verwendet, um Bewegungen für neue Versuche auszuwählen und Feedback zu induzieren, was den Patienten letztendlich hilft, ihren bevorzugten Gang zu finden und den Komfort zu verbessern.

Einige Forscher experimentieren auch mit nicht-invasiven Gehirn-Computer-Schnittstellen, um die Bewegungsabsichten des Benutzers zu erfassen, was eine direktere Interaktion zwischen dem Exoskelett und dem menschlichen Körper ermöglicht. DARPA startete 2011 das Projekt „The Warrior Web“ und wies darauf hin, dass flexible Exoskelette leichter und bequemer seien und dass das Systemdesign in Kombination mit Funktionskleidung die Mobilität, Aktivitätsqualität und Ausdauer des Trägers verbessern und die ununterbrochene Tragezeit verlängern könne.

DARPAs „Warrior Loom“｜DARPA

Neben der wissenschaftlichen Forschung treiben auch Sportereignisse die Entwicklung von Exoskeletten voran.

Sie haben vielleicht schon vom Marathon gehört, aber vielleicht kennen Sie Cybathlon nicht. Der Cybathlon wurde 2016 von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich ins Leben gerufen und hat 2016 und 2020 erfolgreich zwei Wettbewerbe durchgeführt. Beim Cybathlon können Sportler mit Behinderungen mithilfe von Peripheriegeräten wie mechanischen Prothesen, Gehirn-Computer-Schnittstellen und Exoskeletten antreten. Im Jahr 2020 umfasste der Wettbewerb sechs große Veranstaltungen, darunter einen Wettbewerb für Gehirn-Computer-Schnittstellen, einen Wettbewerb für Radfahren mit funktioneller elektrischer Stimulation, einen Wettbewerb für motorisierte Armprothesen, einen Wettbewerb für motorisierte Beinprothesen, einen Wettbewerb für motorisierte Exoskelett-Ausrüstung und einen Wettbewerb für motorisierte Rollstühle. Alle Aufgaben haben einen engen Bezug zum Alltag von Menschen mit Behinderungen und konzentrieren sich darauf, Forschungsfortschritte in verwandten Bereichen aufzuzeigen.

Cybathlon｜CGTN

Die Teilnehmer müssen Aktionen wie Treppensteigen, Kochen, Videospiele spielen usw. ausführen. Derjenige, der die meisten Aufgaben in der kürzesten Zeit erledigt, gewinnt. Anders als bei den Paralympics, bei denen vor allem die sportlichen Fähigkeiten des menschlichen Körpers getestet werden (die Athleten dürfen nur handelsübliche Geräte verwenden), steht beim Cybathlon das Streben nach technologischer Innovation im Vordergrund und die Athleten können die neuesten motorunterstützten Geräte verwenden.

Professor Robert Riener, der Gründer des Cybathlon, erinnerte an die ursprüngliche Absicht hinter dem Wettbewerb: Die im Labor entwickelte unterstützende Technologie sei zwar sehr fortschrittlich, könne jedoch nicht rechtzeitig bei Menschen mit Behinderungen eingesetzt werden, da diese in ihrem täglichen Leben mit zu vielen Schwierigkeiten zu kämpfen hätten. Er hofft, dass Cybathlon die Entwicklung von Assistenzsystemen für Behinderte und den akademischen Austausch fördern kann und dass Labore und Unternehmen miteinander konkurrieren und sich gegenseitig inspirieren können, um so kostengünstigere und technologisch fortschrittlichere Prothesen und Exoskelette zu entwickeln.

Aus dieser Perspektive sind die Olympischen Spiele, die Paralympischen Spiele und der Cybathlon allesamt Herausforderungen an die menschlichen Grenzen. Sie werden auch inspiriert sein, wenn Sie sehen, wie ein Teilnehmer mit einem Roboterarm eine Glühbirne installiert oder aus einem Rollstuhl aufsteht und einen ungewöhnlichen Schritt macht.

Verweise

[1] Energiedressing: Exoskelette im Einsatz https://sportnews.blogdady.com/energy-dressing-exoskeletons-on-the-job/

[2] Cybathlon: Die ersten „bionischen Olympischen Spiele“ der Welt stehen vor der Tür https://www.bbc.com/news/technology-37196860

[3] Warrior Web ist der Verwirklichung seines leistungssteigernden Anzugs einen Schritt näher gekommen https://phys.org/news/2013-08-warrior-web-closer-performance-improving-reality.html

[4] Wohin geht die Zukunft von Exoskelett-Robotern? https://mp.weixin.qq.com/s/LHmLkmlBEu9LUkji_1xT6w

[5] Fackelübergabe mit Hilfe von Exoskeletten! Gerade eben ist die Fackel der Paralympischen Winterspiele in der Residenz des Organisationskomitees der Olympischen Winterspiele eingetroffen https://www.takefoto.cn/news/2022/03/04/10050159.shtml

[6] Antwort des Zhihu-Benutzers Simpleway auf die Frage „Warum ist die Exoskelett-Industrie zurückgegangen, bevor sie überhaupt in Gang gekommen ist?“ https://www.zhihu.com/question/304939541/answer/809791972

Autor: biu

Herausgeber: Liegendes Insekt

Planung: Guokr Technology Group