Was sind Exoskelette und wie funktionieren sie?

Exoskelette werden oft in Science-Fiction-Filmen dargestellt und werden jetzt im wirklichen Leben verwendet. Sie sind in einigen Branchen, wie dem Bauwesen und der Medizin, bereits weit verbreitet und ihre Anwendungen sind zahlreich.

Also, wofür werden sie genau verwendet? Und wie funktionieren Exoskelette? In diesem Artikel werden wir uns einige der Exoskelette ansehen, die derzeit verwendet werden.

Was sind Exoskelette?

Exoskelette sind im Grunde tragbare Maschinen, die menschliche Augmentationsfähigkeiten bieten . Je nach Funktion kann ein Exoskelett aus harten Materialien (wie Kunststoff oder Metall) oder weichen Materialien (wie Stoff) bestehen. Darüber hinaus können einige motorisiert oder elektrisch sein und andere sind einfach mechanisch und ohne Antrieb.

Am häufigsten verbessert ein Exoskelett die Fähigkeiten des Trägers in irgendeiner Weise. Es gibt verschiedene Verwendungen für Exoskelette, darunter:

• Steigerung der Kraft und Produktivität.
• Verringerung der Müdigkeit.
• Minimierung von Verletzungen.
• Unterstützung anbieten.
• Rückkehrfunktion (bei Lähmung oder Verletzung).

Wie funktionieren Exoskelette?

Je nach Art und Funktion des Exoskeletts können sie sehr unterschiedlich funktionieren. Die beiden großen Kategorien von Exoskeletten sind mechanische und angetriebene Exoskelette, die wir im Folgenden beschreiben werden.

Passive Exoskelette

Passive Exoskelette sind antriebslos und funktionieren hauptsächlich mechanisch, indem sie das Gewicht von einem Körperteil auf einen anderen umverteilen. Eine übliche Arbeitsweise besteht darin, das Gewicht von den Armen und Schultern zu nehmen und auf die Rumpf- oder Beinmuskulatur zu verteilen. Auf diese Weise ermüden die Arme weniger und das Gewicht wird stärker verteilt, was die Gefahr von Belastungen und Verletzungen verringert.

Angetriebene Exoskelette

Elektrische Exoskelette hingegen können dem Träger Kraft und Funktion verleihen. Da solche Exoskelette jedoch Strom benötigen, sind sie in der Regel schwerer und sperriger, um die Hardware und die Batterien zu berücksichtigen. Sie müssen außerdem aufgeladen werden und haben möglicherweise eine kurze Batterielebensdauer, was in schnelllebigen Branchen ein Nachteil sein kann.

Arten von Exoskeletten

Es sind bereits verschiedene Exoskelette im Einsatz. Viele davon kommen in der Bauindustrie zum Einsatz und sollen die Produktivität und Sicherheit der Arbeiter verbessern.

Power-Handschuhe

Power-Handschuhe wie der Bioservo Ironhand erkennen die Aktionen eines Benutzers über Sensoren im Handschuh. Wenn der Handschuh erkennt, dass der Träger im Begriff ist, einen Gegenstand zu greifen, erhöht die Ironhand die Griffkraft des Trägers. Die Stärke variiert je nach erfasstem Gewicht des Objekts.

Oberkörperunterstützung

Exoskelette, die den Oberkörper stützen, verteilen das Gewicht von den Armen und Schultern auf andere Körperteile, einschließlich Kern und Beine. Dies verringert die Belastung und Ermüdung, die mit Überkopfaktivitäten wie Heben, Verputzen, Schneiden und Bohren verbunden sind.

Diese funktionieren normalerweise, indem sie einen Metallrahmen bereitstellen, der die Brust oder den Kern umgibt. Von diesem erstreckt sich eine Metallstange (oder eine andere Gewichtsverteilungstechnologie wie Riemenscheiben oder Federn) zu den Armen und bietet ein Gegengewicht für die Arbeitslast.

Ein Beispiel dafür ist das Airframe Exoskeleton von Levitate Technology . Die Airframe verwendet ein Flaschenzugsystem, um die Anstrengung bei Überkopfaufgaben um bis zu 80% zu reduzieren. Die Riemenscheiben werden aktiviert, wenn der Benutzer seine Arme hebt, und lösen sich allmählich, wenn er sie absenkt. Ein weiteres Beispiel ist das Gesundheitswesen, wo ein Prototyp eines Anzugs verwendet wird, um Krankenschwestern zu helfen, Patienten auf und aus Betten zu heben .

Hocken- und Stehhilfe

Wenn ein Benutzer in die Hocke geht, rastet ein Unterkörper-Exoskelett ein, um das Gewicht seines Körpers zu tragen, sodass seine Beine und Knie keine Arbeit verrichten müssen. Es ermöglicht den Arbeitern auch, zu sitzen und ihre Beine zu entlasten, was für diejenigen wichtig ist, die stundenlang stehen.

Das legX von SuitX ist ein Beispiel für ein Exoskelett mit Hockerunterstützung . Es wird mit maßgeschneiderten Arbeitsstiefeln und Werkzeuggürteln geliefert und verwendet Sensoren, um zu erkennen, wann der Träger kauert, steht oder geht und bietet bei Bedarf Unterstützung.

Ganzkörper-Exoskelette

Ganzkörper-Exoskelette unterstützen, wie der Name schon sagt, den gesamten Körper. Ein Beispiel ist der suitX , der den Träger entlastet , wenn er sich bückt , Gegenstände über den Kopf hebt, sich duckt oder einfach nur steht. Der SuitX verwendet Druckluftfedern und Hilfsmechanismen.

Mehrere Exoskelette befinden sich in der Entwicklung, die behinderten und verletzten Menschen (z.

Tatsächlich existieren bereits einige Unterkörper-Exoskelette, die diese Funktion erfüllen. Im Gesundheitswesen ermöglichen diese angetriebenen Exoskelette den Patienten, ihr Gewicht zu tragen und wieder zu gehen. Einige von ihnen funktionieren, indem sie die Gehirnaktivität nehmen und in Bewegung umwandeln (das Exoskelett mit Ihrem Verstand steuern).

Herausforderungen und Grenzen von Exoskeletten

Es sind mehrere Herausforderungen zu meistern, bevor Exoskelette nützlicher, billiger und üblicher werden.

Energiequelle

Ein angetriebenes Exoskelett benötigt eine Stromquelle. Wenn Kabel von einem Exoskelett ablaufen, stellt dies ein Sicherheits- und Effizienzproblem dar, daher sind Batterien viel besser geeignet. Batterien müssen jedoch aufgeladen und häufig ausgetauscht werden. Batterien verleihen dem Exoskelett auch ein erhebliches Gewicht, was sein Design und seine Wirksamkeit erschweren kann. Dies bedeutet, dass wir möglicherweise erhebliche Fortschritte in der Batterietechnologie für lebensfähige Hochleistungs-Exoskelette benötigen.

Die Exoskeleton-Entwicklungsfirma Sarcos arbeitet an dem Guardian XO, der über 8 Stunden unter 500 Watt (weit weniger als die meisten Konkurrenten) laufen kann und die Batterien ausgetauscht werden müssen, ohne das Exoskelett auszuschalten.

Materialien und Gewicht

Eine weitere große Herausforderung besteht darin, starke, aber leichte Materialien zu finden, bei denen das Exoskelett nicht arbeiten muss, um sein eigenes Gewicht zu heben – und die gleichzeitig erschwinglich sind. Kohlefaser und ähnliche Materialien sind normalerweise stark und leicht genug, aber ziemlich teuer. Stahl ist zwar stark genug, aber oft zu schwer und verringert oder ruiniert die Effizienz eines Exoskeletts.

Gelenkflexibilität und Betätigung

Schließlich muss sich ein Exoskelett sowohl mit dem menschlichen Körper bewegen als auch Kraft oder Unterstützung bieten. Dies bedeutet, dass es Gelenke haben muss, die dem Bewegungsumfang der menschlichen Gliedmaßen (und der Wirbelsäule) entsprechen und gleichzeitig leistungsstark genug sein müssen, um seine Aufgabe zu erfüllen. Das ist schwieriger, als es auf den ersten Blick scheint!

Weiche Exoskelette sind in Bezug auf die Flexibilität viel besser als harte Exoskelette, bieten aber (bisher) weit weniger Unterstützung. Und es gibt mehrere Technologien, die verwendet werden, um die Kraft hinter den Gelenken bereitzustellen. Ein interessantes Beispiel ist der pneumatische Luftmuskel, der sehr ähnlich wie der menschliche Muskel funktioniert, außer mit Druckluft.

Die Zukunft der Arbeit

Da Exoskelette immer fortschrittlicher werden, werden sie wahrscheinlich in mehreren Branchen weitaus häufiger vorkommen. Sie sind bereits in der Bau-, Automobil- und Landwirtschaftsindustrie weit verbreitet, wo sie den Arbeitern helfen, länger mehr zu heben und das Risiko von Belastungen und anderen Verletzungen zu reduzieren.

Andere Branchen, darunter das Gesundheitswesen und das Militär, werden in naher Zukunft wahrscheinlich mehrere Anwendungen von Exoskeletten sehen. Exoskelette werden zum Beispiel wahrscheinlich verwendet, um die Funktion von Opfern von Lähmungen und Verletzungen wiederherzustellen und Soldaten im Feld zu verbessern.