The two types of exoskeletons
Active & passive exoskeletons
Exoskelette sind ein revolutionäres Werkzeug, das Arbeitskräften dabei helfen kann, ihre Mobilität und Kraft zu verbessern und vor allem körperliche Belastungen im Arbeitsalltag signifikant zu reduzieren. Sie können in aktive oder passive Exoskelette unterteilt werden und es gibt verschiedene Anwendungsbereiche für beide.
Wer etwa in Care, Building or Industry arbeitet, kennt die typischen Belastungsspitzen: Patiententransfers, stundenlanges Spachteln über Kopf im Trockenbau, oder Kommissionieren mit hunderten Hebevorgängen pro Schicht. Exoskelette setzen genau hier an – nicht als Wunderwaffe, sondern als ergonomisches Werkzeug. Je nach Körperregion entlasten sie Back, Schultern, Neck oder Hände, leiten Kräfte um und helfen, monoton-repetitive Tätigkeiten länger schmerzärmer zu bewältigen.
Technisch unterscheiden wir zwei Grundprinzipien: aktive, motorisierte Systeme („powered Exoskelette“, umgangssprachlich auch Roboteranzüge) mit Sensorik und Antrieben, die bei variablen Lasten dynamisch Drehmoment beisteuern – und passive, rein mechanische Lösungen mit Federn, Seilzügen oder Textil-Energiespeichern, die Halten, Heben und Überkopfarbeiten leichter machen. Welches Exoskelett sinnvoll ist, hängt vom Szenario ab: variierende, schwere Aufgaben sprechen eher für aktiv; repetitive Abläufe mit klarer Haltungskinematik meist für passiv.
Active exoskeletons
Ein aktives Exoskelett ist ein mechanisches Gerät, das dem Nutzer ermöglicht, größere Lasten zu tragen oder höhere Geschwindigkeiten zu erreichen. Aktive Exoskelette verfügen neben mechanischen Elementen über weitere aktive Antriebskomponenten – in der Regel leistungsstarke Servomotoren – die zusätzlich zur Kraftreduzierung beitragen. Diese Art von Exoskelett verleiht dem Träger mehr Kraft und Mobilität als er normalerweise hätte.
Der entscheidende technische Unterschied liegt in der intelligenten Steuerung: Sensoren, die an Gelenken und im Anzug integriert sind, messen kontinuierlich die beabsichtigte Bewegung und die benötigte Kraft des Trägers (Biofeedback). Ein Algorithmus berechnet blitzschnell den notwendigen zusätzlichen Drehmoment und die Motoren liefern diesen.
Active exoskeletons are mainly used in the Industry und im Militär eingesetzt. Klinische Einsatzgebiete für aktive Exoskelette sind beispielsweise im Rehabilitationsbereich zu finden. Diese Exoskeletons können Patienten mit Lähmung dabei helfen, ihre Mobilität und Kraft zu verbessern. Die Technologie wird auch in der Logistics increasingly popular, as it can help workers to carry heavy loads more easily, such as the Auxivo CarrySuit.
Passive exoskeletons
Passive Exoskelette unterstützen den Körper ausschließlich durch mechanische Elemente wie Federn, Schienen und Gewichte. Sie verfügen über keinen eigenständigen Antrieb, der aktiv gesteuert wird. Die auftretenden Belastungen werden von der stabilen Struktur aufgefangen und durch Feder-Dämpfer-Systeme in Energie umgewandelt und umverteilt oder an den Boden weitergegeben.
Der Kern der passiven Technologie ist die Speicherung potenzieller Energie: Wenn der Träger ein Gelenk belastet (z. B. den Arm hebt), wird die Energie im Federsystem gespeichert. Wird die Haltung beibehalten, hält die Feder das Gewicht passiv. Wird der Arm gesenkt, gibt die Feder die Energie wieder frei. Passive Exoskelette sind somit leichter und bieten mehr Flexibilität, da sie den Bewegungsablauf des Trägers nicht primär unterstützen, sondern die Last ausbalancieren.
Passive Exoskelette findet man vor allem in der Industrie- und Sportmedizin. Sie können verwendet werden, um Muskelkraft und -ausdauer zu trainieren sowie Verletzungsrisiken zu minimieren. In der industriellen Fertigung werden passive Exosuits verwendet, um Arbeitern beim Heben schwerer Gegenstände zu helfen oder sogar die Last von ihnen abzunehmen, wie etwa der Ottobock Back. Passive Exoskelette werden auch häufig von Menschen getragen, die unter einer Behinderung oder chronischen Krankheit leiden, um die Haltung zu stabilisieren.
Die grundlegende Unterscheidung: Aktiv vs. Passiv
Die wesentliche Trennlinie zwischen den beiden Bauformen liegt in der Energieversorgung und der Art der Kraftunterstützung. Während aktive Systeme wie tragbare Roboter mit zusätzlicher Energie arbeiten, nutzen passive Systeme die Kräfte und Bewegungen des Trägers selbst, um Entlastung zu generieren. Es gibt sowohl Vor- als auch Nachteile bei aktiven und passiven Exoskeletten. Modelle ohne elektrischen Antrieb sind unabhängig von einer Energieversorgung, während aktive Systeme beispielsweise durch Akkus oder Batterien mit Energie versorgt werden müssen. Aktive Modelle bieten jedoch teilweise eine höhere Unterstützung
Marktentwicklung & Prognose: Exoskelette auf Wachstumskurs
Die Exoskelett-Technologie befindet sich nicht nur in der wissenschaftlichen Entwicklung, sondern erlebt auch einen dynamischen Absatzboom. Die Branche entwickelt sich rasant von einer Nischentechnologie hin zu einem integralen Werkzeug in Industrie, Logistics and Medicine.
Die International Federation of Robotics (IFR) verzeichnet in ihrer jährlichen World Robotics Studie eine dynamische Entwicklung des Marktes für Exoskelette (engl. powered human exoskeletons, dt. körpergetragene (Roboter-)Systeme). Wurden 2015 weltweit ca. 5.000 Exoskelette verkauft, stieg der Absatz 2016 um 20 % auf ca. 6.000 Einheiten und 2017 um weitere 35 % auf schätzungsweise 8.100 Einheiten weltweit. Für die Jahre 2018 bis 2020 prognostizierte die IFR einen weltweiten Absatz von rund 13.500 Einheiten pro Jahr. Monetär beziffert steigt das Marktvolumen für Exoskelette von derzeit (2016) 96 Millionen US-Dollar pro Jahr bis 2026 auf 4,6 Milliarden US-Dollar pro Jahr.
Zu ähnlichen Ergebnissen kommt die Marktforschungsgesellschaft ABI Research. Aktuell (Stand der Studie) sollen weltweit rund 7.000 Exoskelette (mechanische Unterstützungssysteme) benutzt werden. Prognostiziert wird eine Wachstumsrate von rund 40 %, d. h., im Jahr 2028 sollen schon 300.000 Systeme verkauft werden bzw. sich im Einsatz befinden, 50 % davon in der Industrie.
Die Analyse von ABI Research zeigt, dass die Aktiven Exoskelette zwar mengenmäßig führend sind, die Passiven Exoskelette jedoch eine besonders steile Wachstumskurve aufweisen und bis 2028 voraussichtlich einen Marktanteil von rund 28 Prozent am Gesamtvolumen erreichen werden. Der Grund liegt in der einfacheren Integration, dem geringeren Gewicht und den niedrigeren Kosten, die gerade für den Einsatz in repetitiven industriellen Standardprozessen essenziell sind. Diese Zahlen unterstreichen die zunehmende Akzeptanz und den hohen Bedarf an körpergetragener Unterstützung, insbesondere im Hinblick auf den demografischen Wandel und die Prävention von Muskel-Skelett-Erkrankungen in der Arbeitswelt.
Die Funktionsweise näher erklärt
Die tatsächliche Entlastung, die ein Exoskelett bietet, hängt von der präzisen Ingenieursarbeit ab. Der Mechanismus hinter der Entlastung wird nachfolgend ausführlicher erläutert.
Mechanische Perfektion bei passiven Systemen
Passive Systeme sind auf die biomechanische Anpassung angewiesen. Sie müssen exakt auf die Anthropometrie des Trägers und die Kinematik der Arbeitsaufgabe abgestimmt sein. Die sogenannte Federkennlinie ist entscheidend: Sie bestimmt, wie stark die Feder bei einer bestimmten Auslenkung unterstützt. Dies ist für hochrepetitive, gleichbleibende Überkopfarbeiten ideal, da die Justierung einmalig vorgenommen werden kann.
Sensorik und Reaktionszeit bei aktiven Systemen
Aktive Exoskelette erfordern eine hohe Rechenleistung, um die Intention des Trägers zu erkennen. Ein sogenanntes man-in-the-loop-control-System sorgt dafür, dass die Motoren exakt im richtigen Moment und mit der korrekten Stärke eingreifen, ohne die natürliche Bewegung zu behindern. Herausforderungen sind hierbei die Akkulaufzeit und das erhöhte Gesamtgewicht des Systems.
Die Praxisentscheidung: 4 wichtige Kriterien für die Auswahl und Integration
Die Frage, ob aktiv oder passiv, kann letztendlich nur im Hinblick auf die jeweilige Application bestimmt werden. Ein falsches Exoskelett kann die Belastung verlagern statt zu mindern.
Arbeitsaufgabe und Zykluszeit: Handelt es sich um langanhaltendes Halten (Passiv, z. B. Schweißen über Kopf) oder um das Bewegen extrem schwerer Lasten (Aktiv, z. B. Heben von Gussformen)?
Variabilität der Aufgaben: Muss der Träger in kurzer Zeit unterschiedliche Tätigkeiten ausführen, die verschiedene Unterstützungsgrade erfordern? (Pro: Aktiv, da dynamisch anpassbar).
Umfeld und Hygiene: Ist der Arbeitsplatz nass, staubig oder muss der Träger leicht sein (z. B. auf Gerüsten)? (Pro: Passiv, da robuster und leichter).
Akzeptanz und Einarbeitung: Passive Systeme sind in der Regel intuitiver, erfordern aber oft eine exaktere Anpassung. Aktive Systeme erfordern eine gründlichere Schulung.
