Beugen, strecken, vorwärtskommen

Sequenzbild eines aus einem Rollstuhl aufstehenden Menschen mit Exosuit
Mit Unterstützung neuartiger Exosuits können partiell Querschnittsgelähmte vielleicht bald selbstständig aus dem Rollstuhl aufstehen und kurze Strecken auf eigenen Beinen zurücklegen. In einer ersten Phase der DFG-geförderten Machbarkeitsstudie wird dies noch an gesunden Probanden getestet
© ETH Zürich/Sensority-Motor Systems Lab

Die Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich ist nicht nur für die angewandte Holzforschung, sondern auch für das sensomotorische Zusammenspiel von Mensch und Maschine eine erste Adresse. Am hauseigenen Sensory-Motor Systems Lab geht es nicht zuletzt auch um die Interaktion von humaner beziehungsweise robotischer Sensorik und Motorik, die Sportler und Reha-Patienten unterstützen oder den Alltag mit Behinderungen autonomer gestaltbar machen soll.

Eine Spezialität des Labs ist der sogenannte Exosuit: eine an den Körper angepasste, motorbetriebene Stützstruktur, die partiell Querschnittsgelähmten helfen soll, aus ihrem Rollstuhl aufzustehen und kurze Strecken zurückzulegen, etwa um im Haus hohe Regalablagen zu erreichen oder beim Arztbesuch hinderliche Treppen zu überwinden. Im Unterschied zu steifen Exoskeletten, bei denen selbst Knochen als Robotergerüst nachgebaut werden, nutzt der Exosuit die vorhandene Anatomie des Trägers. „Eigentlich werden nur die Aktuatoren als eine Art künstlicher Zusatzmuskel angebaut, denn das Skelett ist ja schon da“, sagt Martin Grimmer von der ETH Zürich. „Das macht den Exosuit deutlich leichter, energieeffizienter, flexibler und – vor allem – für Rollstuhlfahrer viel angenehmer zu tragen.“

Eigentlich ist Grimmer Sportwissenschaftler an der TU Darmstadt. Seit seiner Diplomarbeit hat er sich mit passiver und aktiver Prothetik beschäftigt, schon früh entsprechende bionische Konzepte und computerbasierte Steuerungen entwickelt – und ist inzwischen international ein Experte auf diesem Feld. 2016 hat er auf seinen ersten DGF-Antrag hin ein Forschungsstipendium erhalten, um in einer Machbarkeitsstudie am Zürcher Sensory-Motor Systems Lab den Einsatz eines erst kürzlich entwickelten Exosuits zu testen und den Prototyp gemeinsam mit Medizinern, Maschinenbauern und einer Tex­tilwissenschaftlerin weiterzuentwickeln. Im Bereich der Gang-Assistenz durch Exosuits ist das Sensory-Motor Systems Lab einer der wenigen Orte in Europa, der für die Forschung nutzbare Prototypen zur Verfügung hat.

„Das größte Problem ist, dass das zugrunde liegende Bewegungssystem in der Summe noch gar nicht verstanden ist“, so Grimmer. Denn das sensible Zusammenspiel von Senso­rik und Motorik beim Aufstehen und Gehen ist komplexer, als man gemeinhin denkt. Verständnis allein reicht für die Umsetzung ohnehin nicht aus. Wenn der computergesteuerte „Controller“ des Exosuits anhand der Gewichtsverlagerung und des Fußdrucks seines Trägers auf den Boden bemerkt, dass dieser aufstehen will, müssen die Motoren die Drehmomente im Knie- und Hüftgelenk auch so dosieren, dass sie den Träger angemessen unterstützen.

Beim Gehen auf ebener Fläche bewegen sich Hüft- und Kniegelenke aber anders als beim Aufstehen. Für die Entwicklung des Exosuits ist dies eine enorme Herausforderung an die Hard- und Software und damit für Maschinenbauer und Programmierer gleichermaßen.

Auch wenn Querschnittsgelähmte selbst mit einem optimal funktionierenden Exosuit auf absehbare Zeit weiterhin auf Krücken angewiesen sein werden, so liegt der Vorteil einer solchen Entwicklung doch auf der Hand. „Grundlegend geht es uns darum, die Mobilität und Autonomie dieser Anwendergruppe durch die maschinelle Unterstützung ihres Bewegungsvermögens ein Stück weit wiederherzustellen“, resümiert denn auch Grimmer.

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