Einen Vorgeschmack auf das Thema Exoskelette bei der A+A 2021 gab die Websession „Industrial Exoskeletons: Ergonomic Advantages for Future Work“: Unter Leitung von Urs Schneider und Verena Kopp von der Abteilung Biomechatronische Systeme am Fraunhofer IPA gaben Experten aus aller Welt Einblick in die vielfältigen Einsatzbereiche und das Potenzial von Exoskeletten. Hautnah erleben können dies die Messebesucher im „Robotics Park“ auf der A+A in Düsseldorf: Dort präsentieren Hersteller aktuelle Modelle, von denen einige im „Selfexperience Space“ ausprobiert werden können. Das Fraunhofer-Institut führt zudem einen wissenschaftlichen Live-Praxistest mit Probanden durch (siehe Infokasten). Doch wie sinnvoll ist der Einsatz von Exoskeletten tatsächlich? In bestimmten Bereichen, insbesondere in der Medizin und Gesundheitstherapie, sind sie zweifellos ein großer Fortschritt. Ihre Rolle und ihr Nutzen im betrieblichen Arbeits- und Gesundheitsschutz werfen jedoch noch Fragen auf, wie im Folgenden näher beleuchtet wird.
Was sind Exoskelette?
Zunächst aber zu den Grundlagen. Was sind Exoskelette eigentlich? Exoskelette sind am Körper getragene, technische Assistenzsysteme, die ihren Trägern eine zusätzliche Stützstruktur verleihen und somit deren Muskel-Skelett-Systeme entlasten sollen. Sie werden hauptsächlich als Hebehilfe zur Vermeidung oder Reduzierung von Gesundheitsgefährdungen an Arbeitsplätzen in der Industrie sowie als Unterstützungsinstrument für diverse medizinische Therapie- und Rehabilitationsmaßnahmen eingesetzt. Dabei werden zwei Typen von Exoskeletten unterschieden: „aktive“ und „passive“. Passive Exoskelette unterstützen den tragenden Körper lediglich mittels mechanischer Komponenten wie Sprungfedern, Schienen und Gewichte. Entstehende Belastungen werden von der Stützstruktur aufgenommen und in Energie überführt beziehungsweise in den Boden abgeleitet. Aktive Exoskelette hingegen, die in der Industrie erst wenig eingesetzt werden, verfügen neben mechanischen Elementen über weitere Antriebskomponenten. Dabei handelt es sich entweder um elektrische oder pneumatische Antriebe. Die Bewegung mittels Gedankensteuerung beziehungsweise Gehirnströmen ist technisch auch bereits machbar. Erste Prototypen sind in der Entwicklung – bislang aber nur für medizinisch-therapeutische Zwecke.
Maschine oder Medizinprodukt?
Die sicherheitstechnischen Anforderungen an Exoskelette werden im Wesentlichen von ihrem Einsatzzweck bestimmt. Exoskelette werden aber in sehr unterschiedlichen Anwendungsbereichen – vom Militärwesen über die Medizin bis hin zur Industrie – genutzt. Daher ist es bis heute strittig, was ein Exoskelett sowohl aus technischer als auch rechtlicher Perspektive eigentlich ist: Eine Maschine – die der EU-Maschinenrichtlinie unterworfen werden sollte? Oder ein Medizinprodukt, für das die EU-Medizinprodukt-Richtlinie zuständig ist? Oder fallen Exoskelette doch eher unter die PSA-Verordnung, weil sie in den Betrieben als Persönliche Schutzausrüstung getragen werden?
Verwendung definieren
Einige Experten halten es daher für sinnvoll, dass die praktische Verwendung des jeweiligen Produkts zunächst vom Hersteller als „bestimmungsgemäße Verwendung“ klar definiert werden sollte. Auf Basis dieser Ausweisung des Herstellers sollte dann das jeweilige Produkt einer bestimmten EU-Richtlinie beziehungsweise ‑Verordnung zugewiesen werden. Verständlicherweise kann es aufgrund dieser bislang unklaren rechtlichen Situation auch noch keine einschlägigen Produktnormen für Exoskelette geben. Erst bei klarer Zuordnung zum Beispiel zur EU-Maschinenrichtlinie könnten die in dieser Richtlinie formulierten Schutzziele die Grundlage bilden, um entsprechende Produktnormen und damit einhergehend technisch detailliertere Sicherheitsanforderungen zu benennen. Das sieht auch Ralf Schick, Leiter Sachgebiet Physische Belastungen im Fachbereich Handel und Logistik (FBHL) der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV) so: „Eine generelle Zuordnung von Exoskeletten zu nur einer bestimmten EU-Richtlinie ist meines Erachtens nicht zielführend, da Exoskelette an Arbeitsplätzen in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden. Hier muss der Hersteller in seiner Betriebsanleitung die ‘‘Bestimmungsgemäße Verwendung‘ klar definieren.“
Normungsausschuss gegründet
Immerhin hat es Anfang des Jahres in Hinsicht auf die Normung von Exoskeletten eine wichtige Weichenstellung gegeben. Das Deutsche Institut für Normung (DIN) hat im Januar 2021 den Gemeinschaftsarbeitsausschuss „Exoskelette“ gegründet. Der Ausschuss ist Teil des Normenausschusses Ergonomie und hat den Auftrag, den Normungs- und Standardisierungsbedarf im Themengebiet Exoskelette auf nationaler, europäischer und internationaler Ebene zu prüfen und entsprechende nationale und internationale Projekte zu planen. Der Ausschuss beschäftigt sich mit den Themen Terminologie, technische Charakteristika, ergonomische und sicherheitstechnische Anforderungen, Wirksamkeit, Nebenwirkungen sowie Herstellerinformationen.
PSA oder technische Maßnahme?
Im Arbeitsschutz gilt das S‑T-O-P- Prinzip (Substitution – Technische Maßnahme – Organisatorische Maßnahme – Personenbezogene Maßnahme). Wie Exoskelette in dieses Schutzschema einzuordnen sind, ist aufgrund der oben beschriebenen offenen Rechtslage ebenfalls unklar. Offen ist insbesondere, ob es sich beim Einsatz von Exoskeletten um eine technische oder eine personenbezogene Maßnahme handelt. Dass Beschäftigte Exoskelette direkt am Körper tragen, spricht nach Meinung vieler Fachleute zunächst einmal für eine Einordnung als personenbezogene Schutzausrüstung (PSA), denn Maschine und Mensch wirken direkt zusammen und das Gerät muss an seinen Träger persönlich angepasst werden. Das bedeutet gleichzeitig: Wenn ein Arbeitgeber Exoskelette in seinem Betrieb anwendet, dann muss er zunächst erwägen, ob der betreffende Arbeitsprozess nicht vollständig substituiert werden kann oder aber technische und organisatorische Maßnahmen der Einführung eines Exoskeletts vorgezogen werden können. Grundsätzlich aber gilt: Ein Exoskelett darf nicht als Maßnahme verwendet werden, um eine bereits festgestellte Gefährdung so zu reduzieren oder zu beseitigen, dass dadurch die Tätigkeit erst ermöglicht wird.
Vorteile versus Risiken – was überwiegt?
Exoskelette werden nicht selten als Meilenstein für den betrieblichen Gesundheitsschutz, speziell zur Vorbeugung von Muskel-Skelett-Belastungen, gefeiert. Aber ist dies wirklich berechtigt? Um mehr Klarheit in dieser Frage zu gewinnen, wurde unter Federführung der Deutschen Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin im vergangenen Jahr die AWMF-Leitlinie „Einsatz von Exoskeletten im beruflichen Kontext zur Primär‑, Sekundär‑, und Tertiärprävention von arbeitsassoziierten muskuloskelettalen Beschwerden“ herausgegeben. Die beteiligten Experten werteten alle wissenschaftlichen Studien weltweit zum Thema Exoskelette aus und folgerten aus der Analyse: Eine eindeutige Antwort kann dazu immer noch nicht gegeben werden. Die Studien der vergangenen Jahre berichten zwar häufig – jedoch nicht für jede Tätigkeit – über eine gewisse Belastungsminderung in den unterstützen Körperregionen. Aber bis 2020 habe es keine einzige Langzeitstudie gegeben, sodass eine nachhaltige Präventivwirkung von Exoskeletten bislang noch nicht einwandfrei nachgewiesen werden konnte.
Präventiver Nutzen nicht belegt
Fast genauso häufig wie von Vorteilen berichten die analysierten Studien von potenziellen Risiken: Beschäftigte, die mit Exoskeletten gearbeitet haben, klagten häufig über Unannehmlichkeiten und sogar Beschwerden, insbesondere an den direkten Kontaktstellen, sowie über Belastungs- und Beanspruchungszunahmen in anderen Körperbereichen. Eine Studie berichtete von Einschränkungen der Standsicherheit für Füße und Beine. Andere Risiken von Exoskeletten, die in der Fachliteratur erwähnt werden: Durch einen vergrößerten Platzbedarf an eng bemessenen Arbeitsplätzen erhöhe sich das Risiko für Arbeitsunfälle und in Notfallsituationen, wie zum Beispiel einem Brand in einer Fabrik, könne ein Exoskelett für seinen Anwender sogar zur regelrechten Gefahr werden. Diese genannten Gefährdungsszenarien bei der Exoskelett-Nutzung sind wie deren Vorteile bislang aber noch nicht eingehend untersucht worden. Dennoch sei, so folgern die Autoren der Leitlinie, die Durchführung einer spezifischen Gefährdungsbeurteilung für jeden Betrieb, der Exoskelette einsetzt, ein unbedingtes Muss. Ralph Hensel-Unger, Exoskelett-Experte beim Autohersteller Audi, lobt: „Die AWMF-Leitlinie gibt den Stand der Wissenschaft und Technik hervorragend wieder und macht zusammenfassend klar, dass der präventive Nutzen von Exoskeletten nach wie vor wissenschaftlich nicht belegt ist. Das heißt, dass diesen nach dem aktuellen Erkenntnisstand kein Nutzen für den betrieblichen Gesundheitsschutz zuzuschreiben wäre. Auch wenn wir uns das natürlich anders erhoffen.“
Projekt Exo@work
International wurden bereits mehrere Projekte gestartet, die die Auswirkungen von Exoskeletten auf die Arbeitssicherheit und den Gesundheitsschutz in den Unternehmen untersuchten. Während es sich beim oben dargestellten Projekt um eine Analyse der bisherigen Forschungsliteratur handelte, untersucht das seit Oktober 2018 laufende Projekt „Exo@work“ der DGUV darüber hinaus auch experimentell den praktischen Einsatz von Exoskeletten sowohl im eigenen Labor als auch draußen in den Unternehmen in Form von „Feldtests“. Ralf Schick, der zu den Koordinatoren dieses Projekts gehört, klärt über Fortschritte auf: „Auf Grundlage der Experteninterviews stellen wir aktuell einen Leitfaden zusammen, der den Unternehmen helfen soll, Exoskelette sicher und effektiv einsetzen zu können. Darüber hinaus haben wir aus den gewonnenen Daten eine Exoskelett-Tätigkeitsmatrix zur Beurteilung und Handhabung von Unterstützungssituationen erstellt und entwickeln diese stetig weiter. Die von uns aufbereiteten Handlungsempfehlungen für Unternehmen werden weiterhin kontinuierlich erweitert.“
Etwas ausgebremst hat das Projekt die Corona-Pandemie: Zwar konnten die Laborstudien mit Exoskeletten in den eigens dafür konzipierten Testparcours weiterlaufen, die Feldtests in den Unternehmen mussten jedoch abgebrochen werden. Die Laufzeit des Projektes wurde daher erst einmal bis Ende 2021 verlängert. Mit der Veröffentlichung erster Ergebnisse muss voraussichtlich bis zum nächsten Jahr gewartet werden.
Softe Systeme
Im Arbeitsalltag haben passive Exoskelette eine weitaus größere Verbreitung gefunden als aktive Systeme, was aber vor allem damit zu tun hat, dass die passiven Systeme einige Jahre früher auf den Markt kamen. Beide, aktive und passive Systeme, haben für den Träger aber einen wesentlichen Nachteil: Sie sind insbesondere für Menschen mit gesundheitlichen Einschränkungen nicht immer angenehm zu tragen. Daher haben die sogenannten „soften Systeme“ ein großes Potenzial.
In ihrer fortschrittlichsten Form handelt es sich bei ihnen aber größtenteils noch um Zukunftsmusik. Gemeint sind „intelligente Textilien“, die folgendermaßen funktionieren: Ein innovatives Gewebe wird mit Sensoren ausgerüstet, mit deren Hilfe eine integrierte Elektronik die Bewegung der betroffenen Gliedmaßen lernt und diese dann im richtigen Augenblick stützt, entlastet oder frei bewegen lässt. Die Konstruktion ist so dünn, dass sie unter der Kleidung getragen werden kann. Das Material des Exoskelettes verändert dabei ständig seine Festigkeit. Der Bewegungsablauf wird über Algorithmen erfasst, welche die Daten der eingesetzten Sensoren auswerten. Die Programmierung der Algorithmen hängt im Wesentlichen davon ab, welche Sensoren eingesetzt werden. Elektro-Myogramme messen die natürliche elektrische Spannung in einem Muskel und die Lagesensoren die Position im Raum. So kann ein Modell der Bewegungsabfolgen beim Gehen und Bewegen errechnet werden, welches auf den jeweiligen Beschäftigten oder Patienten angepasst wird. Softe Systeme mit dieser Funktionsweise sind aber noch rar.
Entwicklung noch nicht ausgereift
Was passive Exoskelette angeht, ist zuletzt Ernüchterung eingekehrt. Das heißt: Nach einem großen Hype und großen Erwartungen an diese Systeme scheint ihr Potenzial zur Entlastung der Mitarbeiter aktuell zumindest in der Automobilindustrie eher beschränkt zu sein. Der Grund hierfür ist insbesondere die hohe Variabilität der Tätigkeiten. Aktive Exoskelette hingegen befinden sich noch in der Entwicklung und sind zu unflexibel und zu schwer, nicht zuletzt aufgrund all der Motorik und Energiespeicher.
Hybride: Silberstreifen am Horizont?
Auch die Industrie‑4.0‑Anwendungen aktiver Systeme, so Hensel-Unger, scheinen eher ingenieurgetriebene Weiterentwicklungen zu sein, anstatt die konkreten Bedarfe aus der Praxis abzudecken – speziell zum Gesundheitsschutz. Der Experte von Audi erkennt nichtsdestotrotz einen Hoffnung machenden Trend, nämlich die aktuelle Entwicklung „hybrider“ Systeme: Bei diesen sogenannten semi-aktiven Exoskeletten handelt es sich vornehmlich um passive Systeme mit aktiven Aktuatoren, beispielsweise Elektromotoren. „In diesen sehe ich das Potenzial, die Schwächen passiver Systeme hinsichtlich Flexibilität und Kraftunterstützung zu überwinden, dabei aber leichter, anwendungsfreundlicher und energiesparsamer zu sein als aktive Exoskelette.“
Auf der A+A 2021: Live-Praxistest für Exoskelette
Um wissenschaftlich zu beurteilen, inwieweit Exoskelette die Muskel- und Skelettbelastung verringern und die Leistungsfähigkeit erhöhen, wird das Team des Fraunhofer IPA zusammen mit der Universität Stuttgart ein Live-Forschungsevent auf der A+A 2021 in Düsseldorf durchführen.
Beim sogenannten „Exoworkathlon II“ (Exoworkathlon I findet bereits Anfang Oktober auf der Konferenz WearRAcon Europe in Stuttgart statt) werden mehrere Dutzend Probanden unter medizinischer Aufsicht an vier Teststationen Lasten tragen, schweißen, schrauben und lackieren. Zum Einsatz kommen dabei sechs verschiedene Exoskelette verschiedener Bauart. Die Test-Stationen wurden von den Expertinnen und Experten am IPA zusammen mit Spezialisten für Ergonomie und Arbeitssicherheit aus der Industrie entwickelt und spiegeln typische Arbeitssituationen wider, die oft mit Zwangshaltungen verbunden sind: So müssen die Probanden unter anderem Kisten tragen, mit einem Schweißsimulator auf Augenhöhe eine Linie abfahren oder überkopf Latten an ein Baugestell schrauben – jeweils eine Stunde lang mit und eine Stunde lang ohne Exoskelett. Während der Arbeit messen Sensoren verschiedene leistungsphysiologische Parameter wie die Aktivität der Muskeln, die Durchblutung des Herzens und die Belastung des Herzkreislaufsystems. Die subjektive Einschätzung der Probanden wird nach jedem Durchgang mithilfe von Fragebögen ermittelt. Die Ergebnisse des Praxistests werden unter anderem in einer Studie vertieft und veröffentlicht.
Neue Generation von passiven Exoskeletten
Die Liechtensteiner Hilti Gruppe hat Ende 2020 zusammen mit dem deutschen Medizintechnikhersteller Ottobock SE & Co. KGaA eine neue Generation von passiven Exoskeletten auf den Markt gebracht. Beim Modell EXO-01 wird das Gewicht der Arme über die Armschalen mithilfe mechanischer Seilzugtechnik auf die Hüfte abgeleitet. Dies reduziert die Spitzen-Belastung der Muskulatur und entlastet die Schulter gemäß unabhängigen Studien und Untersuchungen von Ottobock um bis zu 47 Prozent. Laut den Herstellern können diese Exoskelette einen erheblichen Beitrag zum Gesundheitsschutz leisten, insbesondere bei Arbeiten im Überkopf- und Überschulterbereich. Mit Blick auf die Bauindustrie beispielsweise dort, wo serielle oder länger andauernde Tätigkeiten ausgeführt werden müssen. Zudem werde die Ermüdung verringert.
Steuerung mittels Gedanken
Forscher der Korea University und der TU Berlin haben 2015 ein Brain-Computer-Interface (BCI) entwickelt, das es ermöglicht, ein Exoskelett mittels Gedanken zu steuern. Weil Exoskelette ein starkes elektrisches Rauschen erzeugen, das die EEG-Signale normalerweise unter sich begräbt, war dazu ein besonderer Ansatz nötig: Das Schlüsselelement sind fünf LEDs, die mit unterschiedlicher Frequenz flackern. Der Benutzer konzentriert sich auf eine dieser Leuchtdioden, was sich in seinem EEG niederschlägt und als Steuersignal für eine Bewegung nach vorwärts, links oder rechts, beziehungsweise zum Setzen oder Aufstehen dient. Langfristig könnten gedankengesteuerte Exoskelette als Mobilitätshilfe für Menschen dienen, die aufgrund von Krankheiten wie ALS oder Rückenmarksverletzungen kaum oder nicht selbst gehfähig sind. Die Forscher arbeiten daher daran, die Augenermüdung bei längerer Nutzung ihres Systems zu senken.