Exoskelett spart 25 Prozent der Energie beim Laufen ein

Pittsburgh – Ein personalisiertes Exoskelett, das an einem Bein getragen wird, soll den Energieverbrauch beim Laufen um ein Viertel reduzieren. Dafür passt das System seine Unterstützung für das Sprunggelenk während der Nutzung an. Die Forscher Juanjuan Zhang haben das neue Exoskelett an elf Personen getestet und ihre Ergebnisse in Science publiziert (2017, DOI: 10.1126/science.aal5054).

Exoskelette können etwa Menschen mit körperlichen Behinderungen nach einem Schlaganfall wieder ein Stück Beweglichkeit zurückgeben oder die Leistungen von Sportlern verbessern. Selbst für Querschnittsgelähmte gibt es bereits Modelle, mit denen sie sich mit viel Übung mit bis zu 3 km/h fortbewegen können. Beim Cybathlon 2016 in Zürich wurden diese vorgestellt.

Nicht zuletzt aufgrund des Gewichts, die die Nutzer eines Exoskeletts am Körper tragen (13 bis 30 kg), ist die Fortbewegung sehr anstrengend. Das neu entwickelte Exoskelett, das von gesunden Menschen getestet wurde, wiegt hingegen nur 0,8 kg pro Bein.

Die Technik, mit der die Forscher vom Department of Mechanical Engineering an der Carnegie Mellon University in Pittsburgh das Exoskelett optimiert haben, nennen sie „human- in-the-loop optimization“. Dabei korrigiert das Exoskelett den Drehmoment am Sprunggelenk beim Laufen so, dass am wenigsten Energie verbraucht wird. Dafür wird beispielsweise die Rotation des Gelenks gemessen, die bei jedem Menschen unterschiedlich stark ausgeprägt ist und zu einem anderen Zeitpunkt erfolgt.

Bei den elf Testpersonen ist es mit dieser anpassungsfähigen Technik gelungen, den Energieverbrauch um etwa 24,2 Prozent zu senken. Die gewichtsbezogene Leistung reduzierte sich von 2,84 auf 2,16 Watt pro kg. Um die optimale Einstellung zu erhalten mussten die Teilnehmer zunächst eine gute Stunde mit dem Exoskelett an einem Bein laufen.

Ein Studienteilnehmer, der das Exoskelett an beiden Beinen testete, konnte seinen Energieverbrauch beim Laufen (1,25 m/s) sogar um 33 Prozent reduzieren. Noch besser war die Energieersparnis bei zügigem Laufen. Hier wurden 39 Prozent erreicht. Zukünftig soll das System aber auch bei Menschen mit Amputationen oder nach einem Schlaganfall zum Einsatz kommen, teilt der Autor Steve Collins dem Deutschen Ärzteblatt mit. Erste Tests mit dem Prototypen, der ausschließlich im Labor genutzt werden kann, laufen bereits.

gie