Exoskelette für mehr Lust am Laufen

So wie das Radfahren könnte sich auch das Joggen oder Laufen technisch unterstützen lassen, meinen Robotik-Forscher.

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(Bild: Kirby A. Witte1, Pieter Fiers, Alison L. Sheets-Singer und Steven H. Collins, Science Robotics)

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Was beim Radfahren funktioniert, sollte sich auch beim Dauerlauf bewähren – so ungefähr lautet die Überlegung, die ein internationales Forscherteam motiviert hat, sich mit Möglichkeiten der technischen Unterstützung beim sportlichen Laufen zu beschäftigen. Wie das E-Bike für viele Menschen die Schwelle gesenkt hat, sich aufs Fahrrad zu schwingen und sich körperlich zu betätigen, sollen Exoskelette die Lust am Laufen fördern.

Ein internationales Forschungsteam, an dem auch ein Mitarbeiter des Sport Research Lab des Sportartikelherstellers Nike beteiligt ist, berichtet in der aktuellen Ausgabe von Science Robotics von Experimenten zur Laufunterstützung mithilfe von Exoskeletten. Dabei geht es nicht um Exoskelette, die den gesamten Körper einhüllen, sondern um Geräte, die direkt am Fußgelenk wirken. Die Wissenschaftler interessierte insbesondere der Vergleich von passiven Exoskeletten, die allein durch ihre Federwirkung Kraft entfalten, mit aktiv angetriebenen Vorrichtungen. Letztere können zwar grundsätzlich mehr Energie entwickeln, belasten den Läufer aber zugleich auch mehr durch ihr höheres Gewicht, sodass der Nettoeffekt nicht ohne weiteres vorherzusehen ist.

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Mit einer Versuchsanordnung, in der die Testpersonen auf einem Laufband mit knapp 10 km/h liefen und die Parameter der Exoskelette in Echtzeit individuell optimiert werden konnten, quantifizierten die Forscher den Stoffwechselaufwand der verschiedenen Konstellationen. Dabei erwiesen sich die angetriebenen Exoskelette als überlegen: Im Vergleich zum Laufen in normalen Schuhen lag der Aufwand bei ihnen um knapp 15 Prozent niedriger, bei passiven, federartigen Mechanismen dagegen um 11 Prozent höher.

(Quelle: Witte et al., Sci. Robot. 5, eaay9108 (2020))

Es gebe noch weiteren Forschungsbedarf, schreibt das von Kirby A. Witte (Carnegie Mellon University) geleitete Autorenteam, etwa bei der individuellen Anpassung der Parameter oder zu den Wirkungen von Exoskeletten an anderen Gelenken wie Knie oder Hüfte und möglichen Kombinationen. Die bisherigen Ergebnisse legten aber nahe, dass mithilfe tragbarer, angetriebener Exoskelette die Laufgeschwindigkeit um 10 Prozent gesteigert werden könne, ohne dass sich der Läufer dafür mehr anstrengen müsse.

Amanda Sutrisno und David J. Braun (Vanderbilt University) vermuten dagegen, dass sich die Laufgeschwindigkeit von Menschen sogar um 50 Prozent steigern ließe – allein mit federnden, passiven Exoskeletten. In der aktuellen Ausgabe von Science Advances verweisen sie darauf, dass die Geschwindigkeit der schnellsten Radfahrer mit 21,4 m/s fast doppelt so hoch liege wie die des schnellsten Läufers (12,3 m/s), obwohl beide Fortbewegungsweisen ausschließlich auf Körperkraft beruhten. Das liege daran, dass

  • es mit rollenden Rädern keine Energieverluste durch die Kollisionen mit dem Boden gebe,
  • Räder statt der Beine das Gewicht des Körpers tragen und
  • Pedale es dem Menschen ermöglichen, kontinuierlich Energie in die Fortbewegung zu geben statt nur beim Bodenkontakt.

Um diese Vorteile aufs Laufen zu übertragen haben die beiden Forscher eine Feder mit variabler Steifigkeit konzipiert, die vom Läufer während der Schwungphase gespannt wird, um die Energie dann beim Bodenkontakt in horizontaler Richtung wieder freizugeben. Unter optimalen Bedingungen seien so Geschwindigkeiten bis 20,9 m/s zu erzielen, haben sie in Modellrechnungen herausgefunden. Aber selbst wenn nur während 60 Prozent statt 96 Prozent eines Schrittintervalls Energie in die Feder gepumpt würde, liege die theoretische Topgeschwindigkeit immer noch bei 18 m/s – das entspreche einer Steigerung des bisherigen Weltrekords um etwa 50 Prozent.

Als potenzielle Anwender dieser Technik sehen die Forscher Sportler, Rettungskräfte und Polizisten. Der Nutzen für Rettungskräfte leuchtet unmittelbar ein. Für Sportler hingegen müssten wohl erst neue Wettbewerbsdisziplinen entwickelt werden. Und die Polizei wird sich wohl auf ein Wettrüsten mit Kriminellen einstellen müssen, wenn sie stets über die bessere Laufunterstützung verfügen will. (anw)