So helfen Exoskelette Menschen mit Beeinträchtigungen

Entwicklung eines personalisierten Exoskeletts

Persönlich angepasste assistive Technologien verändern das Leben von Menschen mit Beeinträchtigungen und bieten ihnen ein neues Mass an Autonomie und Mobilität. Mit den rasanten Fortschritten sowohl in der Medizintechnik als auch in Industriebereichen wie Robotik und KI wächst das Potenzial dieser Lösungen zunehmend. Aufbauend auf der umfangreichen Erfahrung in diesen Bereichen hat Helbling einen funktionsfähigen Prototyp für eine Patientin entwickelt, die unter den Langzeitfolgen von Polio leidet. Dieser Prototyp demonstriert ein Kernkonzept, das angepasst werden kann, um die Mobilität von Menschen mit Beeinträchtigungen der oberen Extremitäten zu fördern. Dabei hat Helbling mit der Schweizer Initiative HackaHealth zusammengearbeitet. Diese unterstützt Menschen mit Beeinträchtigungen, indem sie individualisierte Lösungen zur Erleichterung des Alltags entwickelt.

Der Bedarf an assistiven Exoskelett-Technologien steigt

Die wachsende Nachfrage nach assistiven Exoskeletten wird durch globale demografische und gesundheitliche Aspekte vorangetrieben, insbesondere durch eine alternde und somit zunehmend in der Mobilität eingeschränkte Bevölkerung, und durch ein ausgelastetes Gesundheitssystem. Die Exoskelett-Technologie hat das Potenzial, die Belastung für Pflegekräfte und Gesundheitssysteme zu verringern. Sie erleichtert und verbessert die Rehabilitation, Patientinnen und Patienten können Autonomie zurückgewinnen.

In industriellen Umgebungen können Exoskelette eingesetzt werden, um Arbeitsunfälle zu verhindern, Ermüdungserscheinungen zu reduzieren und die Produktivität der Arbeitnehmenden zu steigern. Technologische Fortschritte in den Bereichen Robotik, tragbare Sensoren, künstliche Intelligenz und leichte, langlebige Materialien machen Exoskelette heute praktikabler im Einsatz, erschwinglicher und zugänglicher.

Der Exoskelett-Markt soll von 0,56 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 auf 2,03 Milliarden US-Dollar im Jahr 2030 wachsen. Diese Entwicklung ist in erster Linie auf den steigenden gesellschaftlichen Bedarf und das immense Potenzial von assistiven Exoskeletten zurückzuführen, die Rehabilitation, Mobilität und menschliche Leistungsfähigkeit weltweit zu verbessern [1].

Mehr als zwanzig Jahre Erfahrung in den Bereichen Medizintechnik, Industrie und Robotik geben Helbling die interdisziplinäre Basis, die für die Entwicklung von Exoskeletten der nächsten Generation erforderlich ist.

Ein Design-Thinking-Ansatz für eine individuell angepasste assistive Armstütze

Im Rahmen einer Pro-bono-Kooperation mit HackaHealth übernahm Helbling eines der Hackathon-Projekte, dessen Ziel es war, einer Patientin mit einer Armbeeinträchtigung zu helfen. Es sollte ein Hilfsmittel entwickelt werden, das ihre Unabhängigkeit zu Hause verbessert.

Es wurde ein Design-Thinking-Ansatz umgesetzt, um sicherzustellen, dass die Lösung für die Patientin sinnvoll, technisch realisierbar und für HackaHealth leicht zu warten war. Das Ziel dieser Methode ist es, vier Hauptfaktoren zu berücksichtigen: Gebrauchstauglichkeit, Rentabilität, technische Machbarkeit und Nachhaltigkeit.

Personalisierung: Die spezifischen Bedürfnisse kennenlernen

Die Patientin war im Alter von zwei Jahren an Polio erkrankt und ist heute in den Schultern und Oberarmen eingeschränkt beweglich. Ihre rechte Hand kann sie weitgehend normal bewegen. Um sowohl die Machbarkeit als auch die Gebrauchstauglichkeit sicherzustellen, mussten ihre individuellen Bedürfnisse verstanden werden. Das Team investierte daher viel Zeit in detaillierte Beobachtungen und Gespräche, um die tatsächlichen Probleme bei den täglichen Aktivitäten zu identifizieren. Verminderte Kraft, eingeschränkte Bewegungsfreiheit, kurze Rumpflänge und Gleichgewichtsprobleme bildeten die Grundlage für die biomechanischen und ergonomischen Designanforderungen. Die Lösung musste es ihr ermöglichen, das Gerät selbstständig zu tragen, sich sicher und ohne Einbussen bei der Stabilität zu bewegen. Den Arm sollte sie um etwa 130 Grad anheben können, während sie einen Gegenstand von etwa 1,5 Kilogramm hielt – Aufgaben, die sie alleine nicht ausführen konnte.

Realisierung: Entwicklung unter den Vorgaben der einfachen Nutzung, Wartung und Reproduzierbarkeit

Um die Rentabilität zu gewährleisten, musste der funktionale Prototyp nach Möglichkeit aus handelsüblichen oder kostengünstigen Komponenten gebaut werden. So sollten Wartung und zukünftige Upgrades durch HackaHealth erleichtert und sichergestellt werden, damit das Gerät später über die Prototypenphase hinaus realistisch produziert oder angepasst werden kann. Daher wurden Benutzerfreundlichkeit, Wartungsfreundlichkeit und Kosteneffizienz von Anfang an in die Architektur integriert. Die Teile des Designs, die für diese Patientin spezifisch angepasst werden mussten, wurden mit Rapid-Prototyping-Techniken hergestellt, um die Kosten zu senken. Die Idee war ein modularer Aufbau aus personalisierten und standardisierten Modulen. Zu ersteren gehören etwa der Gurt und die Positionierung des Schultergelenks. Zu den standardisierten Modulen, die ohne Anpassung wiederverwendet werden können, gehören etwa die Antriebseinheit und die Elektronikbox.

Aus technischer Sicht verlagerte sich der Fokus auf die Machbarkeit, also darauf, wie das Konzept in funktionierende Hardware umgesetzt werden konnte. Da die Restkraft im Oberkörper der Patientin minimal war, benötigte das System einen Antriebsmechanismus, der die Belastung der Armbewegung auf die Hüften übertragen konnte. Als Lösung wurde ein speziell angefertigter, thermogeformter Hüftgurt entwickelt, der anhand eines 3D-Scans des Oberkörpers der Patientin angefertigt wurde, um das Gewicht so gleichmässig wie möglich zu verteilen, ohne das Gleichgewicht zu beeinträchtigen. Die Bedienungseinheit wurde an die eingeschränkte Beweglichkeit ihrer anderen Hand angepasst und ermöglicht eine intuitive Steuerung.

Das Gesamtgewicht des Systems einschliesslich Batterie wurde durch die Optimierung des Stromverbrauchs und die Integration eines Selbstverriegelungsmechanismus unter 1,5 Kilogramm gehalten. Eine weitere Herausforderung war die Schwierigkeit, beim An- und Ausziehen des Geräts das Gleichgewicht zu halten. Um diesen Schritt zu erleichtern, wurde ein spezieller Stuhl mit einer magnetischen Schnittstelle zum Gurt entwickelt, mit dem das Gerät an der Taille befestigt werden kann, ohne die Sicherheit der Patientin zu beeinträchtigen. Darüber hinaus wurden weitere Sicherheitsfunktionen implementiert, um das maximale Drehmoment und den Strom bei einzelnen Fehlerzuständen zu begrenzen.

Während der gesamten Entwicklung wurden mehrere Prototypen in iterativen Testsitzungen mit der Patientin evaluiert. Mit jeder Iteration wurden Komfort, Ausrichtung, Bewegungsumfang und Energieeffizienz verbessert. Dieser iterative Zyklus ermöglichte eine kontinuierliche Weiterentwicklung auf der Grundlage von echtem Feedback statt theoretischen Annahmen. In einem abschliessenden Test war die Patientin in der Lage, das Gerät selbstständig einzurichten, zu tragen und alltägliche Aufgaben auszuführen, die zuvor unmöglich waren. Für das Team war das ein Zeichen dafür, dass das nutzerzentrierte Design ein Erfolg war.