Gemessen: Exosuits funktionieren nicht für jeden gleich gut

Die Unterstützung eines Exosuits wirkt auf jeden Menschen anders. Das haben Forscher nun mithilfe eines Scherwellen-Tensiometers nachweisen können.

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Ein Forscher misst die Belastung der Achillesferse bei einem Probanden, der ein Exosuit zur Gehunterstützung am Knöchel trägt.

(Bild: University of Wisconsin-Madison)

Ein Forscherteam der University of Wisconsin-Madison (UW) und der Harvard University haben ein Scherwellen-Tensiometer genutzt, um nachvollziehen zu können, inwieweit ein Exosuit einem Nutzenden messbar eine Erleichterung verschafft und er von der mechanischen Unterstützung profitiert. Der Sensor ist tragbar und liefert Daten in Echtzeit. Mit dessen Hilfe fanden sie heraus, dass es nicht möglich ist, eine einheitliche Steuerung für einen Exosuit zu entwickeln, die für alle funktioniert.

Damit ein Exosuit funktioniert, muss er in der Regel auf die individuellen Körperbewegungen des Nutzenden und dessen Aktivitäten in der realen Welt jenseits des Labors eingestellt werden. Soll beispielsweise eine Unterstützung beim Gehen erfolgen, dann muss die Unterstützung zum richtigen Zeitpunkt erfolgen, um die Wadenmuskeln und die Achillessehne zu entlasten. Wie groß und zielgenau die Wirkung aber ist, lässt sich nicht so gut nachvollziehen, beschreibt das Wissenschaftsteam das Forschungsproblem in der in Science Robotics veröffentlichten Studie "Modulation of Achilles tendon force with load carriage and exosuit assistance". Dazu müssen die Veränderungen der Belastung von Muskel- und Sehnengewebe direkt während der Nutzung des Exosuits gemessen werden.

Um das zu erreichen, griffen die Forschenden auf ein Scherwellen-Tensiometer zurück, ein tragbarer Sensor, der an der UW bereits 2018 entwickelt worden ist. Der Sensor wird auf die Haut des Trägers über einer Sehne aufgebracht, muss also nicht implantiert werden. Mithilfe des Tensiometers kann die Sehnenkraft über die Veränderung der Schwingungseigenschaften der Sehne bestimmt werden, die bei Belastung durch Bewegung variieren.

Ein Proband läuft mit einem Exosuit auf einem Laufband. Die Belastung der Achillessehne wird dabei über ein Tensiometer gemessen.

(Bild: University of Wisconsin-Madison)

Ausprobiert hat das Forschungsteam den Sensor an acht Probanden. Bei den Studienteilnehmenden handelte es sich um gesunde junge Erwachsene. Sie mussten zunächst ohne Exosuit auf einem Laufband laufen. Zur Belastung trugen sie unterschiedliche Gewichte in einem Rucksack. Neben der Messung mehrerer biomechanischer Parameter griffen die Forschenden bei dem Experiment auf das Tensiometer zurück und maßen damit die Belastung der Achillessehne. Wie die Forscher angenommen hatten, stieg mit zunehmendem Gewicht im Rucksack die Belastung der Sehne bei allen Teilnehmenden an.

Danach schnallten sie den Probanden einen unterstützenden Exosuit aus weichem Textil und Aktuator für eine Unterstützung des Fußgelenks an und wiederholten die Tests. Das Wissenschaftsteam stellte nun fest, dass die Ergebnisse stark variierten: Einige der Teilnehmer hatten eine Krafteinwirkung auf die Achillessehnen, als würden sie keinen Rucksack tragen, bei anderen änderte sich die Belastung dagegen nur wenig.

Dylan Schmitz, Doktorand und Mitautor der Studie, führt dies auf die individuellen körperlichen Unterschiede der Personen zurück. Jeder Mensch reagiere anders auf die von außen zugeführte Gehunterstützung. "Wir können also nicht davon ausgehen, dass es eine einheitliche Steuerung für einen Exosuit gibt, die für alle funktioniert", sagt er. Damit ein Exosuit die gewünschten biomechanischen Veränderungen bewirken kann, ist eine genaue Anpassung je nach Nutzenden und der Umgebung, in der die Unterstützung erfolgen soll, nötig. Das Tensiometer kann dann als Werkzeug eingesetzt werden, um die entsprechenden Messungen durchzuführen. Dies erlaube eine individuelle Abstimmung der Steuerung der Exosuits, "damit sie für einzelne Benutzer in unterschiedlichen Umgebungen effektiv funktionieren".

(olb)