Exoskelett erleichtert das Gehen

Exoskelette, mit denen Menschen überdurchschnittliche Leistungen vollbringen, sind nicht nur Stoff für Science-Fiction-Filme. So entwickelten amerikanische Ingenieure nun eine Gehhilfe, die ganz ohne Unterstützung von Elektromotoren den Energiebedarf eines Menschens beim Gehen um über sieben Prozent reduzieren konnte. Von dieser Entwicklung könnten Wanderer auf langen Expeditionen oder Patienten profitieren, die nach einer Operation oder einem Schlaganfall langsam wieder das Laufen lernen müssen.

Die Arbeitsgruppe um Steven Collins von der Carnegie Mellon University in Pittsburgh analysierte die genau die biomechanischen Abläufe von Muskeln und Sehnen beim Gehen. Auf dieser Grundlage entwickelten sie ihre Gehhilfe, die im Wesentlichen aus einer Feder und einem Kupplungs­modul bestand, das die Feder­spannung während des Gehens kontrollierte. Mit gepolsterten Manschetten ließen sich diese mechanischen Gehhilfen – jeweils nur ein halbes Kilogramm schwer – an die Unterschenkel von mehreren Testpersonen schnallen.

Während der Gehversuche auf einem Laufband zeigte sich, dass sich die Feder spannte, wenn der Fuß auf dem Boden auflag. Wurde danach der Fuß wieder angehoben, entspannte sich die Feder wieder. Die Feder bewegte sich dabei entsprechend der Dehnung und Entlastung der Achilles-Sehne. Dank dieser Unterstützung musste vor allem der Wadenmuskel weniger Arbeit leisten.

Nach vielen Gehversuchen mit neun Test­personen fanden Collins und Kollegen die ideale Federstärke (180 Nm/rad) für ihre Gehhilfe. Die spezifische Leistung eines Menschens beim Gehen ließ sich so von 2,88 Watt pro Kilogramm Körpergewicht auf 2,67 Watt reduzieren. Diese Effizienz­steigerung von 7,2 Prozent entspricht etwa der Leistung, die beim Tragen einer vier Kilogramm schweren Last aufgebracht werden müsste.

Noch befindet sich dieses Exoskelett in einer frühen Entwicklungs­phase. Doch ist es nicht ausgeschlossen, dass daraus tatsächlich ein marktfähiges Produkt werden könnte. Zwar mögen gesunde Menschen solche Gehhilfen nicht benötigen. Doch wer etwa nach einer Operation oder Krankheit wieder das Gehen trainiert, könnte von diesen Exoskeletten profitieren. Es ist nicht unwahrscheinlich, dass diese Entwicklung auch auf Interesse im Militärsektor stößt. Denn Infanterie-Soldaten könnten mit diesen Exoskeletten weitere Strecken laufen und dabei höhere Lasten tragen.

Schon andere Arbeitsgruppen, teils mit finanzieller Unterstützung des amerikanischen Verteidigungs­ministeriums, haben Exoskelette für Soldaten entwickelt. Bei diesen Prototypen wurden jedoch pneumatische Systeme oder gar Elektro­motoren verwendet, die selbst mit Energie versorgt werden mussten. Die neue, passive Gehhilfe dagegen erreichte allein durch den geschickten Einsatz einer Spiralfeder Effizienz­steigerungen beim Gehen in der gleichen Größenordnung wie aktive Systeme.

Jan Oliver Löfken

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