Exoskelette als Alltagshilfe | heise online

Der Name „Exoskelett“ stammt aus dem Griechischen und setzt sich aus den Begriffen „exo“ (außen) und „skelettos“ (Gerüst, Skelett) zusammen. Er beschreibt eine äußere Struktur, die den Körper unterstützt oder schützt, ähnlich dem äußeren Skelett von Insekten oder Krebstieren. Wie der Informationsdienst Wissenschaft (IDW) berichtet, geht das Fraunhofer IWU dabei neue Wege in der Entwicklung. „Mit Formgedächtnislegierungen, Schrittmotoren und 3D-Druck-Technologien sind immer bessere Anpassungen an die Handanatomie möglich. Jede Hand variiert in Größe und Proportionen, oft sogar zwischen linker und rechter Hand einer Person. Der 3D-Druck, insbesondere das selektive Lasersintern (SLS), ermöglicht nahezu unbegrenzte geometrische Freiheit“, so das Forschungsteam. Dabei formen sich dreidimensionale Strukturen Schicht für Schicht aus Kunststoffpulver. Ein parametrisches CAD-Modell steigert die Effizienz der Fertigung erheblich. Ideale Basis zur Konstruktion ist ein digitaler 3D-Scan der Hand, der nicht nur die Geometrie, sondern auch die Beziehungen zwischen den Handelementen erfasst. So entsteht ein hochpräzises Handmodell, und Anpassungen für spätere Neuanfertigungen lassen sich einfacher umsetzen.

Jede Hand zeichnet sich durch eine einzigartige Anatomie und unterschiedliche Strukturen aus. Für die meisten Patientinnen und Patienten empfiehlt es sich, Kraft und Bewegung eines Exoskeletts individuell anzupassen. Ein hohes Gewicht des Hilfsmittels würde jedoch stark belasten. Neben einer präzisen Schalenpassform spielt daher der Antrieb eine zentrale Rolle. Alina Carabello, Doktorandin am Fraunhofer IWU und wissenschaftliche Mitarbeiterin der Technischen Universität Chemnitz, kombiniert einen bidirektionalen Schrittmotor mit Drähten aus Formgedächtnislegierungen als Aktuatoren. Dieses System nutzt nur zwei künstliche Sehnen, die der Motor gezielt steuert, um Hand und Finger zu beugen oder zu strecken. Verschiedene Positionen lassen sich halten und bei Bedarf anpassen. „Ein Nachregeln ist zum Beispiel bei einer Mineralwasserflasche aus Kunststoff erforderlich, die nachgibt, sobald der Verschluss geöffnet wird und Kohlensäure entweichen kann“, so Carabello.

Das Antriebssystem

Das Antriebssystem funktioniert nach einfachen Prinzipien. Der Schrittantrieb kombiniert Zahnrad, Hebel, Klinke und einen speziellen Draht. Beim Erwärmen zieht sich der Draht zusammen und bewegt den Hebel um einen festgelegten Winkel. Dadurch dreht das Zahnrad in die gewünschte Richtung, während das Seil der Beuge- oder Strecksehne auf eine Spule aufgewickelt oder abgewickelt wird. Diese Bewegung beugt oder streckt den Finger. Bei Carabellos System steuern Formgedächtnislegierungen (FGL) als Aktoren die Zahnradbewegung. Ein Mikrokontroller erwärmt den FGL-Draht gezielt mit elektrischem Strom, wodurch dieser sich verkürzt. Beim Abkühlen dehnt sich der Draht durch einen Gegenzug, etwa eine Feder oder ein weiterer FGL-Draht. Diese Mechanik lenkt die künstlichen Gliedmaßen des Exoskeletts. Insgesamt lässt sich damit eine präzise und wiederholbare Bewegung erreichen.

Exoskelette im DIY-Bereich

Die Entwicklung von Exoskeletten steht nicht nur im Forschungssektor vor technischen und praktischen Hürden. Leichtbaukomponenten wie Carbon oder Aluminium sind teuer, und präzise Antriebssysteme erfordern Fachwissen in Mechatronik. Dennoch ermöglichen es Technologien wie 3D-Druck und Open-Source-Plattformen, auch im DIY-Bereich kreative Lösungen zu entwickeln. Ein gelungenes Beispiel dafür ist die Veröffentlichung des Open-Source-Exoskeletts OpenExo von Professor Zach Lerner und seinem Team von der Northern Arizona University (NAU). Das am 25. Juni 2025 in der Zeitschrift Science Robotics veröffentlichte OpenExo-Projekt gibt auch Hobbyisten die Möglichkeit, leistungsfähige Modelle zu entwickeln. Das Projekt umfasst 3D-Druck und Design-Daten sowie Bauanleitungen und Python-Software zur Steuerung der Einzel- und Mehrgelenk-Exoskelette, einschließlich Hüft-, Knöchel- und Ellbogenkonfigurationen.

(usz)