Um die extreme Kraft von Arthropoden zu erlangen, hat der Mensch sein eigenes „Exoskelett“ geschaffen

Vor mehr als 500 Millionen Jahren, in der Kambrischen Periode, erreichte die Evolution des Lebens auf der Erde einen entscheidenden Wendepunkt. In den folgenden geologischen Epochen entwickelten sich zwei völlig verschiedene Wege der Knochenbildung.

Die Gliederfüßer, repräsentiert durch die Trilobiten, wählten das „Außen skelett“ – eine harte Panzerung umgibt den Körper, und die Skelettmuskeln sind sicher darin versteckt.

Die Wirbeltiere, die sich entlang des anderen Weges bis hin zum Menschen entwickelt haben, wählten das „Innen skelett“ – die Knochen bilden das innere Gerüst des Körpers, und die Skelettmuskeln wachsen eng daran, um einen weichen und flexiblen Leib zu stützen.

Das „umgekehrt konzipierte“ Skelett der Gliederfüßer hat inhärente Vorteile, die es für den menschlichen Körper fast unmöglich macht, mit ihnen mithalten zu können:

Erstens: Schutzpanzer. Es schützt die empfindlichen inneren Organe perfekt und puffert äußere Stöße effektiv ab.

Zweitens: Krafthebel. Die Muskeln der Insekten sind an der Innenwand des harten, hohlen Panzeres befestigt, was eine äußerst effiziente mechanische Struktur bildet. Deshalb können scheinbar schwache Ameisen 50-mal ihr eigenes Gewicht heben, und kleine Flöhe können Hundertfache ihrer eigenen Körpergröße springen.

Um die übermenschlichen Kräfte der Gliederfüßer zu erlangen, hat der Mensch durch Bionik sein eigenes Außen skelett geschaffen. Der Begriff des menschlichen Außen skeletts (Exoskeleton) ist also nicht aus dem Nichts entstanden, sondern hat seine Wurzeln in der Biologie.

Mechanische Phantasien der Kraft

In den letzten Jahren haben mehrere Finanzierungen im Bereich des Außen skeletts bewiesen, dass es einer der wenigen Teilbereiche im Bereich der Embodied Intelligence ist, der bereits von Kapitalgebern bestätigt wurde. Im Vergleich zu den noch in der technischen Validierungsphase befindlichen Humanoiden Robotern haben sich Außen skelette bereits in Bereichen wie industrieller Unterstützung, Rehabilitation, Outdoor-Sport und Altenhilfe massenhaft etabliert.

Zugleich treiben die beschleunigte Alterung der Bevölkerung, der Aufstieg des Outdoor-Konsums und die Euphorie um Embodied Intelligence den Markt an. Immer mehr Investmentgesellschaften betrachten das Außen skelett als eine Form von Embodied Intelligence, die eher eine kommerzielle Schließung erreichen kann als die Humanoiden Roboter. Das Außen skelett entwickelt sich von einer Nischenbranche für Rehabilitationsgeräte zu einem wichtigen industriellen Zugangspunkt, der Roboter, Wearables und Technologien zur menschlichen Verstärkung verbindet.

Tatsächlich begann die menschliche Erforschung des Außen skeletts vor zwei Jahrhunderten – unzählige wilde Ideen und technische Pläne prallten zusammen und formten einen Strom von Technologie, der bis heute fließt.

In den 1890er Jahren entwarf der russische Erfinder Nicholas Yagn ein „Marschhilfssystem“. Diese durch Kompressionsluftpumpen, Hebel und Federn realisierte Vision gilt als das früheste Außen skelett und brachte das erste Patentschrift für ein Außen skelett hervor.

Obwohl dieses Außen skelett damals aufgrund des Mangels an einer wirklichen Antriebsquelle scheiterte, setzte es eine Idee in den Köpfen der Menschen.

Im 20. Jahrhundert schuf der amerikanische Maschinenbauingenieur Neil J. Mizen ein Außen skelettgerät namens „The Man Amplifier“. Es war sperrig, schwer anzulegen und abzunehmen und äußerst teuer herzustellen. Es blieb also auf einer groben Konzeptionsebene.

Links: Nicholas Yagns Patent, Rechts: The Man Amplifier

In den 1960er Jahren, in der Zeit des Kalten Krieges und des industriellen Aufschwungs, entwickelten die US-Armeen und die General Electric (GE) zusammen das erste wirkliche motorisierte Außen skelett – Hardiman.

Dieser Stahlriese wog 680 Kilogramm und war mit 28 hydraulischen Gelenken bestückt. Aufgrund des Mangels an präzisen Algorithmen zur Koordination von Maschinen- und menschlichen Bewegungen war Hardiman zu sperrig und gefährlich und landete schließlich im Schoß der Geschichte.

Anschließend wandte die General Electric die Forschungsergebnisse von Hardiman auf den Vierbeiner-Roboter „Walking Truck“ an. Der Fahrer kann über ein schweres Außen skelettähnliches Gestell direkt die Gliedmaßen des Roboters steuern.

Links: Hardiman, Rechts: GE Walking Truck

Bis zu dieser Zeit wurden die von Menschen erfundenen Außen skelette allgemein pneumatisch oder hydraulisch angetrieben. Erst in den 1970er Jahren entwickelte das Mihajlo Pupin-Institut in Jugoslawien (heute Serbien) das „Active Suit“. Dies war das erste Außen skelett mit elektrischem Antrieb und gilt allgemein als der Vorläufer des modernen Außen skeletts.

Der eigentliche bahnbrechende Durchbruch beim Außen skelett erfolgte nach den 1990er Jahren, als die Mikroelektronik und die Antriebssysteme rapide voranschritten. In dieser technologischen Wende stellten die USA und Japan die Spitzenforschung dar.

Unter der Leitung der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) entstanden in den USA eine Reihe von Außen skelettprodukten wie das Berkeley BLEEX, das HULC (Human Universal Load Carrier) von Lockheed Martin und das Sarcos XOS.

Die amerikanischen Außen skelette streben extreme Tragfähigkeit, die Fähigkeit, in Schlamm zu marschieren und extreme Spezialaufgaben zu erledigen, an. Dies hat den harten industriellen Stil der frühen amerikanischen Außen skelette geprägt.

Erste Generation von BLEEX

Sarcos-Serie

Cyberdyne HAL

Im Vergleich dazu richten die japanischen Hersteller angesichts der tiefgreifenden Alterung ihrer Gesellschaft ihren Blick eher auf kommerzielle medizinische und Rehabilitationsanwendungen. Ein herausragendes Beispiel hierfür ist das Unternehmen Cyberdyne.

1997 gelang es Professor Yoshiyuki Sankai von der Universität Tsukuba in Japan, mechanische Gelenke über elektrische Signale von der Hautoberfläche zu steuern und so einen Prototypen für ein medizinisches Außen skelett zu entwickeln.

2004 gründete Yoshiyuki Sankai offiziell Cyberdyne und brachte die HAL (Hybrid Assistive Limb)-Serie von Außen skeletten auf den Markt, die darauf abzielt, gelähmten Patienten zu helfen, ihre Nervenbahnen wiederherzustellen und wieder zu gehen.

Diese globale Erforschung, die von der klinischen medizinischen Rehabilitation bis zur industriellen Schwerlast reicht, markierte den Beginn der Überführung des Außen skeletts aus dem Labor in die reale Welt.

„Unabhängig von der Art muss ein Außen skelett, um die menschliche Bewegung zu unterstützen, drei Schritte durchlaufen – Wahrnehmung, Intentionenerkennung und Entscheidungsfindung und Handlung.

Bei der Wahrnehmung nutzt das Außen skelett Sensoren, um sowohl Umgebungsinformationen als auch menschliche Bewegungen zu verstehen.

Nachdem die Informationen empfangen wurden, muss das System die nächste Bewegungsabsicht des Benutzers präzise verstehen, wie z. B. die Richtung der Bewegung und die Stärke der Kraftanwendung, um den Drehmomentwert und das erforderliche Maß an Unterstützung zu berechnen.

Schließlich sendet das System die Befehle an den Elektromotor, um das Außen skelett zur Ausführung der Bewegung anzutreiben und so einen Steuerkreis zu schließen.“

Li Haojun, Managing Partner von GGV Capital, weist darauf hin: „Was wie eine einfache Bewegung in Mikrosekunden erscheinen mag, ist tatsächlich ein komplexes Systemprojekt, das sich über mehrere Fachgebiete erstreckt.“

Li Haojun sagt: „Zunächst ist das Außen skelett im Wesentlichen ein Roboter, der die Gestaltung von Gelenken, Getrieben und mechanischen Strukturen betrifft. Zweitens ist die Intentionenerkennung des Außen skeletts eng mit der Ergonomie, der Sensortechnik und der Datenwissenschaft verbunden.“

Aus der Perspektive von Wearables hängt die Kernlaufzeit von der Verbesserung der Batterie und des Antriebssystems ab. Darüber hinaus, wenn man die Tragekomfort und Hautverträglichkeit berücksichtigt, kommt die Materialwissenschaft ins Spiel.

Im Wesentlichen strebt das Außen skelett eine perfekte „Mensch-Maschine-Kopplung“ an. „Unmerklichkeit“ ist die beste Erfahrung, und dies ist auch die größte Herausforderung bei der gegenwärtigen Entwicklung von Außen skeletten.“

Mensch-Maschine-Kopplung und Symbiose

Mit der technologischen Entwicklung haben sich moderne Außen skelette in zwei Hauptkategorien entwickelt: „starre“ und „flexible“ Außen skelette.

Das traditionelle starre Außen skelett enthält harte Metall- oder Kohlefaserstützen, und seine mechanische Struktur reicht bis zum Boden. Es ist wie ein stabiles äußeres „Gerüst“, das enorme Kräfte tragen kann.

Das Produkt des israelischen Unternehmens Lifeward (ehemals ReWalk Robotics) ist ein typisches Beispiel, das Querschnittgelähmten hilft, wieder aufzustehen und zu gehen.

Aber die Nachteile des starren Außen skeletts sind offensichtlich: Die Bewegungsfreiheit des Körpers ist eingeschränkt, es gibt einen starken Widerstand zwischen Mensch und Maschine, und das gesamte Gerät ist schwer.

Um diese Schwere zu überwinden, hat das Biodesign-Labor der Harvard-Universität ein flexibles Außen skelett entwickelt, das keine harten Gerüste hat und mit hochfesten Stoffen und bionischen Seilen angetrieben wird.

Es ist wie ein Body-Suit, extrem leicht und ohne Beschränkungen. Wenn die Muskeln des Körpers anziehen, zieht der Motor das Seil, um in Richtung der Sehnen zu helfen.

Aber da es keine direkte mechanische Übertragungsstrecke zum Boden gibt, kann das flexible Außen skelett nicht helfen, sehr schwere Lasten zu tragen. Die absolute Last muss schließlich immer noch vom menschlichen Körper getragen werden.