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Könnte dieses Knöchel-Exoskelett Schlaganfall-Überlebenden mit Mobilitätsproblemen helfen?
Forscher der Carnegie Mellon Universität in Pittsburgh, PA, und der North Carolina State Universität in Raleigh behaupten, dass ein von ihnen entwickeltes "Knöchel-Exoskelett" die metabolischen Kosten des Gehens um 7% reduziert - in etwa so viel wie ein 10-Pfund-Rucksack. Außerdem ist das Gerät komplett stromlos.
Das Team beabsichtigt, das Exoskelett bei Menschen mit einer Vielzahl von Mobilitätsproblemen zu erproben, damit diese die Designs optimal auf verschiedene Patientengruppen abstimmen können.
Bildnachweis: Stephen Thrift
Frühere Simulationen der menschlichen Fortbewegung - der Akt des Gehens - haben vorgeschlagen, dass, wenn wir auf ebenem Boden und mit konstanter Geschwindigkeit gehen, theoretisch überhaupt kein Kraftaufwand entstehen sollte. Wissenschaftler wissen aber auch, dass Menschen beim Gehen mehr Energie aufwenden als bei jeder anderen täglichen Aktivität.
Da dieser Energieaufwand für ältere Menschen oder Menschen mit Mobilitätsproblemen Probleme verursachen kann, waren Wissenschaftler lange Zeit damit beschäftigt, Exoskelette zu konstruieren, die das Gehen erleichtern könnten, aber die konsequente Barriere dafür war die Schwierigkeit, das Gehen ohne zu verbessern Hinzufügen einer externen Stromquelle.
Ein anderes Problem bei der Konstruktion einer solchen Vorrichtung bestand darin, dass das Anordnen schwerer Gegenstände auf den Beinen einen anfänglichen Nachteil erzeugt, der den Energieverbrauch erhöht.
Folglich waren viele Ingenieure, die sich jahrzehntelang mit dem Konzept auseinandergesetzt hatten, überzeugt, dass ein solches Projekt nicht möglich war.
Die Forscher haben 8 Jahre gebraucht, um ein Problem zu lösen, das über 100 Jahre alt ist
Obwohl diese Art der Konstruktion seit den 1890er Jahren einen langen Weg zurückgelegt hat, als die Erfinder zum ersten Mal versuchten, die Effizienz des Gehens durch die Verwendung von Gummibändern zu steigern, waren die derzeitigen Modelle mit nicht angetriebenen Exoskeletten nicht in der Lage, den Energieverbrauch zu senken. Biomechaniker sind sich noch nicht einmal sicher, ob die berühmten Laufschaufeln, die von Behinderten wie Oscar Pistorius getragen werden, energetisch effizienter sind als menschliche Füße.
Jetzt in der Zeitschrift Natur, beschreiben die Forscher von Carnegie Mellon und NC State, wie sie 8 Jahre lang ihr neues, nicht angetriebenes Exoskelett entwickelten - das erstmals von den beiden Autoren Steve Collins und Greg Sawicki auf einem Whiteboard entwickelt wurde, während sie 2007 zusammen an der University of Michigan studierten .
Collins, Assistant Professor für Maschinenbau an der Carnegie Mellon, sagt:
"Gehen ist komplizierter als man denkt. Jeder kann laufen, aber man weiß nicht, wie man läuft."
Der Schlüssel zum Erfolg des neuen Projekts war die sorgfältige Aufmerksamkeit der Forscher darauf, wie ein Gerät die Wadenmuskulatur entlasten kann, wenn es nicht produktiv arbeitet.
Das Team war an Ultraschalluntersuchungen interessiert, die zeigten, dass der Wadenmuskel Energie nicht nur ausübt, wenn er den Körper nach vorne treibt, sondern auch, wenn er die Achillessehne straff hält - ähnlich wie von den Forschern zu einer "Kupplungsaktion".
Wie löst man das Problem, dass der Wadenmuskel ständig Kraft erzeugt?
"Studien zeigen, dass die Wadenmuskeln in der Standphase des Gehens primär isometrisch, ohne Arbeit, Kraft produzieren, aber immer noch mit substantieller metabolischer Energie arbeiten", erklärt Collins. "Das ist das Gegenteil von regenerativem Bremsen. Es ist, als würde man jedes Mal, wenn man im Auto auf das Bremspedal tritt, ein bisschen Benzin verbrennen."
Collins, Sawicki und sein Kollege M. Bruce Wiggin entwarfen deshalb ihr Exoskelett, um einige der Muskelkraft des Kalbes, die den Gesamtumsatz verringerten, zu "entlasten". Um den Energieaufwand für das Aufstellen schwerer Gegenstände auf die Beine zu reduzieren, wurde das Außenskelett mit ultraleichter - aber dennoch robuster und funktioneller - Kohlefaser hergestellt.
Sie können das Exoskelett in Aktion im folgenden Video sehen.
Collins glaubt, dass das Exoskelett besonders vorteilhaft für Menschen mit bleibenden Folgen des Schlaganfalls sein könnte. "Wir sind noch ein bisschen davon entfernt", gibt er zu, "aber wir werden es sicherlich versuchen."
Das Team beabsichtigt, das Exoskelett bei Menschen mit einer Vielzahl von Mobilitätsproblemen zu erproben, damit diese die Designs optimal auf verschiedene Patientengruppen abstimmen können.
"Wenn wir die menschliche Biomechanik besser verstehen, haben wir angefangen, tragbare Robotergeräte zu sehen, die die menschliche motorische Leistung wiederherstellen oder verbessern können", sagt Collins. "Dies ist ein gutes Zeichen für eine Zukunft mit Geräten, die leicht, energieeffizient und relativ kostengünstig sind und gleichzeitig die Mobilität von Menschen verbessern."
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