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So präzise wie nie: Durch KI passen sich Exoskelette beim Tragen an

von Cindy Michel
Exoskelette verleihen Kraft, wo sie im Körper schwindet – und Menschen mit Gehbehinderungen können Dank der zusätzlichen Stütze wieder laufen. Effektiv funktioniert das aber nur, wenn die Prothese individuell an ihren Träger angepasst ist. Ein Algorithmus soll dies nun schnell und präzise und vor allem live übernehmen.  

Die einen schlurfen, die anderen stacksen, wieder andere schreiten oder tippeln – viele Menschen erkennt man schon an ihrem Gang. Denn weder unsere Schritte, noch unser Bewegungsapparat sind genormt. Wenn Roboter stürzen und dabei Schaden nehmen, werden sie einfach repariert und wiederhergestellt. Bei uns Menschen ist das anders. Nicht nur Gewohnheiten, sondern auch Unfälle oder Krankheit können beeinflussen, wie wir gehen und uns bewegen. Die Gangarten sind so unterschiedlich wie die Menschen selbst. 

Daher müssen Prothesen wie etwa Exoskelette individuell an ihren Träger angepasst werden. Erst dann können sie ihn effektiv entweder bei schwerer Arbeit entlasten oder bei der Bewältigung einer Gehbehinderung unterstützen. Forscher der Carnegie Mellon University haben sich dieses Problems angenommen und ein System entwickelt, das sich automatisch an die natürlichen Bewegungen des Trägers anpassen soll. Die Studie ist vor kurzem in dem Magazin Science erschienen. 

Das Problem bei bisherigen Exoskeletten sei, dass sie auf einem One-Size-Fits-All-System basieren und nicht auf die jeweiligen Träger zugeschnitten seien, erklärt Biochemikerin und Chefautorin der Studie Juanjuan Zhang gegenüber The Verge. Das habe zur Folge, dass Nutzer von Exoskeletten unbewusst gegen die Prothese ankämpfen, dabei würde viel Energie verschwendet werden. „Was das Ganze so kompliziert macht, ist nicht etwa das Hilfsmittel an sich, sondern dass der menschliche Körper so extrem komplex ist“, sagt Zhang.   

Aller Schwierigkeiten zum Trotz wollen Zhang und ihr Team nun eine Lösung gefunden haben, um Exoskelette zu optimieren. Ein Algorithmus soll die Prothese automatisch, schnell und präzise an den Körper des Trägers anpassen. In ihrer Studie nutzten die Wissenschaftler ein Exoskelett für den Knöchel, um ihre Methode zu testen. Die Prothese wird an Schienbein und Fuß geschnallt, ein kleiner Motor inklusive Seilzug-System hilft bei jedem Schritt, die Ferse anzuheben.  

Für den Feldversuch schnallten sich elf Studienteilnehmer so ein Exoskelett an, setzten eine Atemmaske auf und begaben sich aufs Laufband. Über die Maske konnten die Wissenschaftler messen, wie viel Sauerstoff die Probanden einatmeten und wie viel Kohlenstoffdioxid sie wieder ausatmeten. So konnte der Energieverbrauch jedes einzelnen Studienteilnehmers während des Gehens bestimmt werden.

Währenddessen justierte die Software das Exoskelett immer wieder neu, um herauszufiltern, bei welcher Einstellung der jeweilige Träger am wenigsten Energie aufwendet. So hob sie etwa die Ferse mal etwas früher, mal etwas später an oder übte mal mehr und mal weniger Kraft aus. Das Ergebnis, so mannigfaltig wie die Gangarten der Menschen: keine Einstellung war die gleiche.   

Nicht länger als eine Stunde soll der Algorithmus benötigt haben, um die jeweils optimale Einstellung für den jeweiligen Nutzer zu finden, heißt es in der Studie. So konnten Zhang und ihr Team die von jedem Probanden aufgewandte Energie um durchschnittlich 24 Prozent senken.  

Ganz neu sei diese Art der Personalisierung nicht, doch noch nie sei sie so schnell und präzise erfolgt, merkt das Magazin Science an. Denn bisher mussten Exoskelette, nachdem Forscher genügend Daten gesammelt hatten, händisch angepasst und anschließend noch einmal getestet werden. 

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