Die biomechanischen Auswirkungen von Exoskeletten

Mélissa Moulart, eine Biomechanik-Ingenieurin am Wissenschaftszentrum Japet, erklärt alles über die biomechanischen Auswirkungen von Exoskeletten.

Photo Melissa Moulart

Wie könner wir die biomechanischen Auswirkungen eines Exoskelette analysieren ? 

Um die biomechanischen Auswirkungen eines Exoskeletts zu messen, müssen hauptsächlich drei Parameter untersucht werden: muskuläre Auswirkungen, Auswirkungen auf das Skelett und Auswirkungen auf die Energiekosten.

– Die Messung der Muskelbelastung erfolgt in der Regel über EMG-Sensoren (Elektromyogramm, NDLR). Die Studie besteht aus dem Vergleich der Muskelaktivität mit und ohne Exoskelett bei ähnlichen Bewegungen und der anschließenden Analyse bestimmter Parameter wie Mittelwerte, Standardabweichungen, Quartile, Spitzenwerte usw.

Es gibt andere Erfassungslösungen in der Entwicklung, wie z.B. MMGs (Mechano-Myographie, NDLR), die darin bestehen, Muskelgeräusche zu hören, die wegen der Notwendigkeit einer Nachbehandlung weniger verbreitet sind. Längerfristig sind auch andere Tests möglich, wie z.B. ein Dauertest oder ein Krafttest mit einer isokinetischen Maschine.

– Die Messung des Skelettaufpralls besteht meistens darin, die Bewegung beispielsweise mit Hilfe von Inertial-Imagern (IMU) oder Nahinfrarotkameras aufzuzeichnen und diese Daten dann in eine Simulationssoftware zu integrieren, die es ermöglicht, die Belastungen in jedem Gelenk durch inverse Dynamik zu berechnen.

– Subtiler ist die Messung der Auswirkungen der Energiekosten. Es ist interessant, das Gleichgewicht zwischen den physiologischen Kosten (Sauerstoffverbrauch, Herzfrequenz usw.) und den biomechanischen Kosten (im Zusammenhang mit Kinetik, Bewegung) zu untersuchen. Es besteht natürlich ein Gleichgewicht zwischen diesen beiden Energien, und das Exoskelett darf dieses Gleichgewicht nicht stören.

Begrenzen Exoskelette die Exposition gegenüber biomechanischen Risikofaktoren ?

Der eigentliche Nutzen von Exoskeletten besteht darin, Gelenke unter hoher Belastung zu entlasten. Aus biomechanischer Sicht muss man darauf achten, den Körper als Ganzes zu betrachten. Einer der Vorteile von Exoskeletten ist ihre Fähigkeit, die Spitzen der Muskelaktivität, die manchmal mit falschen Bewegungen verbunden sind, zu reduzieren.

Es ist jedoch unmöglich, die Wirkung von Exoskeletten zu verallgemeinern, da sie vom Design abhängt. Jedes Exoskelett ist spezifisch, aber es ist möglich, Trends für verschiedene Produktgruppen (untere Gliedmaßen, obere Gliedmaßen, Rücken) anzugeben.

Wir haben noch nicht viel Erfahrung mit der Langzeitwirkung von Exoskeletten. Können Sie mir Ihre Meinung dazu sagen ?

INRS und AFNOR arbeiten intensiv an diesem Thema, um einen normativen Rahmen für den Einsatz von Exoskeletten zu schaffen.

Es sind mehrere Studien im Gange, aber es ist schwierig, eine echte biomechanische Studie zu ignorieren, um diese Auswirkungen zu verstehen. Bei Produkten wie dem unsrigen muss nachgewiesen werden, dass die Auswirkungen langfristig für gesunde Menschen transparent sind und dass sie für pathologische Personen vorteilhaft sind (weniger Schmerzen bei korrekter Körperhaltung). Dazu müssen Studien an allen Arten von Menschen durchgeführt und ausreichende Daten generiert werden.

In den kommenden Jahren müssen regelmäßig Studien durchgeführt werden, um im Nachhinein einen gewissen Überblick zu erhalten und zu überprüfen, ob das Nutzen-Risiko-Verhältnis gut ist. In 5 oder 10 Jahren wird die Rückschau ausreichend sein.

Es ist Sache der Hersteller, in Kontakt zu bleiben und zu überprüfen, ob es keine Probleme mit den Benutzern gibt. Das Risiko besteht darin, dass ein Anwender das Gerät nicht mehr trägt (weil es ihm nicht passt), die Informationen aber nicht zu den Herstellern des Exoskeletts gelangen.

Exoskelette sind wie Medikamente, man braucht klinische Beweise. Als medizinisches Gerät musste Japet seine Behauptungen durch klinische Studien validieren und seine Benutzer überwachen, um die mit der Verwendung seiner Produkte verbundenen Risiken zu kontrollieren.

Warum können Exoskelette nicht mehr Gewicht tragen? 

Das Exoskelett ist dazu da, einen Teil des Körpers zu entlasten. Wenn wir die Belastung erhöhen, befinden wir uns in einem Fall, der den anfänglichen Problemen entspricht, und das Exoskelett spielt nicht mehr seine Rolle, die Gelenke zu entlasten, sondern übernimmt dann die Rolle des externen Muskels.

Abgesehen vom militärischen Fall, der etwas eigenartig ist, ist es ein Irrweg, mehr Gewicht tragen zu wollen, weil dadurch das Problem nur verdrängt, anstatt es zu lösen. Beispielsweise löst eine Person mit EBA durch das Tragen von 10 kg Lasten EBA aus, wenn sie 20 kg Lasten mit einem Exoskelett trägt. Das Problem wird immer dasselbe sein: Diese Person hat EBA.

Was sind heute aus biomechanischer Sicht die Wachsamkeitspunkte, dis Exoskelette ?

Für die Konstrukteure von Exoskeletten geht es darum, Studien am ganzen Körper durchzuführen, um eine globale Vision der Auswirkungen ihres Geräts zu erhalten und um zu vermeiden, dass sie sich insbesondere auf ein einzelnes Gelenk konzentrieren. Es ist ziemlich kompliziert, globale Studien durchzuführen, da sie eine umfangreiche Durchführung erfordern. Wenn wir den Leuten vorschlagen, Messungen durchzuführen, muss alles in maximal einer Stunde erledigt werden, von der Installation der Sensoren bis zur Deinstallation… wenn wir komplette Studien durchführen wollen, dauert es notwendigerweise länger.

Die Unternehmen ihrerseits müssen überprüfen, ob die Benutzer das Exoskelett unter den richtigen Bedingungen und unter Einhaltung einer Benutzungszeit verwenden. Das Follow-up muss zu Beginn regelmäßig und häufig erfolgen, danach reicht ein jährliches Follow-up aus. Wenn ein Unternehmen feststellt, dass seine Mitarbeiter das Exoskelett nicht mehr benutzen, oder umgekehrt, wenn sie es viel mehr als empfohlen benutzen wollen, gibt es Fragen zu stellen.

Es ist auch wichtig, die Arbeitsmedizin einzubeziehen, die ein Problem vorhersehen oder es beim Einsatz des Exoskeletts erkennen kann.

Für den Anwender sollte man nicht mit einem Exoskelett leben, sondern lernen, es zu benutzen, wenn man es wirklich braucht.

Was macht Ihrer Meinung nach Exoskelette fit für die Wirtschaft ? 

Exoskelette sind Innovationen, die geschaffen wurden, weil ein echter Bedarf bestand.

Es gibt Arbeitsplätze, die aus verschiedenen Gründen nicht eingerichtet werden können (Maschinenunordnung, beengte Platzverhältnisse usw.). Die Menschen gehen später und später in Rente, die Menschen arbeiten länger und nicht immer unter guten Bedingungen. Exoskelette können wirklich viel bringen, aber es muss intelligent gemacht werden. Das Anlegen eines Exoskeletts ist nie trivial.

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