Exoskelette sind vielversprechend

Die Einführung von Exoskeletten in der Gebäudebewirtschaftung verspricht einen fundamentalen Wandel im Arbeitsalltag. Die Technologie steht jedoch erst am Anfang ihrer praktischen Durchdringung und für Entscheider stellt sich die Frage nach dem tatsächlichen Nutzen. Welche Systeme sind überhaupt verfügbar, wie funktionieren sie im Detail und welche Zukunftsperspektiven ergeben sich für den Arbeitsschutz in der Schweiz?

Exoskelette sind tragbare Roboterstrukturen, die den menschlichen Bewegungsapparat unterstützen, entlasten und augmentieren. Im Gegensatz zu Prothesen, die fehlende Gliedmassen ersetzen, werden Exoskelette über die bestehende Anatomie gezogen und arbeiten als mechanische Verstärkung. Sie transferieren Kräfte, die eigentlich von Muskeln, Sehnen und Gelenken aufgebracht werden müssten, auf die Struktur des Geräts selbst.

Die technologische Basis dieser Systeme ist vielfältig. Grundsätzlich lassen sich vier Funktionsprinzipien unterscheiden.

Passive Exoskelette arbeiten ohne Motoren oder Batterien. Sie nutzen Federmechanismen, Gasfedern oder elastische Elemente, um Kräfte umzuleiten. Ein Mitarbeiter, der sich nach vorne beugt, komprimiert dabei ein Federelement, das einen Teil des Gewichts von Oberkörper und Last abfängt. Diese Systeme sind leicht, kostengünstig und wartungsarm, bieten jedoch nur begrenzte Unterstützung.

Aktive Exoskelette verfügen über elektrische Motoren, pneumatische oder hydraulische Aktuatoren. Sie erzeugen aktiv Drehmoment und Zugkraft, um den Träger zu unterstützen. Ein modernes aktives Knieexoskelett kann beispielsweise beim Aufstehen aus dem Sitzen bis zu 20 Newtonmeter Drehmoment generieren. Die Energieversorgung erfolgt über Akkus, was Betriebszeiten von einigen Stunden ermöglicht. Pneumatische Systeme nutzen Druckluft und sind besonders leicht und anpassungsfähig, benötigen jedoch Kompressoren oder Drucktanks.

Quasi-passive Systeme können Energie aus Bewegungen des Trägers zurückgewinnen und speichern. Beim Hinsetzen wird beispielsweise die negative mechanische Arbeit genutzt, um Luft in einen pneumatischen Muskel zu komprimieren. Diese gespeicherte Energie steht dann beim nächsten Aufstehen wieder zur Verfügung, ohne dass zusätzliche elektrische Leistung erforderlich ist. Dieses Prinzip der Energierückgewinnung reduziert den Gesamtenergieverbrauch des Systems erheblich.

Soft Exosuits verwenden statt starrer Rahmen aus Aluminium oder Kohlefaser textile Strukturen, Kabel und aufblasbare Kammern. Sie ähneln eher funktionaler Kleidung als einem Roboteranzug und sind deutlich diskreter, leichter und komfortabler. Der Trade-off liegt in der geringeren maximalen Unterstützungskraft.

Die Anatomie der Unterstützung: Was Exoskelette leisten können
Exoskelette werden nach den Körperregionen klassifiziert, die sie unterstützen. Für das Facility Management sind vor allem drei Typen relevant.

Rückenexoskelette adressieren die Lendenwirbelsäule und die paravertebrale Muskulatur. Sie sind für Tätigkeiten konzipiert, die häufiges Bücken oder Heben erfordern. Die Unterstützung erfolgt typischerweise durch Federmechanismen, die beim Vorbeugen gespannt werden und einen Teil des Drehmoments übernehmen, das sonst die Rückenmuskulatur aufbringen müsste. Studien zeigen Reduktionen der Muskelaktivität im unteren Rücken um 22 Prozent bei konsequenter Nutzung .

Schulterexoskelette sind für Überkopfarbeiten optimiert. Ein Hauswart, der eine Leuchtstoffröhre wechselt oder eine Klimaanlage wartet, hält die Arme oft über längere Zeit in erhöhter Position. Die Schultermuskulatur ermüdet und das Risiko für Impingement-Syndrome steigt. Schulterexoskelette kompensieren die Schwerkraft, indem sie eine nach oben gerichtete Stützkraft auf die Arme ausüben. Die Belastungsreduktion kann bei guten Systemen über 40 Prozent betragen .

Die dritte Kategorie sind die sogenannten Multitasking-Exoskelette. Facility Management zeichnet sich durch hohe Tätigkeitsvielfalt aus. Ein Techniker hebt schwere Möbel, wechselt dann eine Deckenleuchte, beugt sich über eine defekte Heizung und kniet auf dem Boden, um eine Leitung zu reparieren. Ein reines Rücken- oder reines Schulterexoskelett würde hier versagen. Die neueste Generation integrierter Systeme kann beide Körperregionen gleichzeitig unterstützen. Das OmniSuit des Schweizer Herstellers Auxivo ist ein Beispiel für diese Kategorie. Es wiegt nur 2.7 Kilogramm, besteht aus Luftfahrt-Aluminium und technischen Textilien und erlaubt den gesamten Bewegungsumfang von Bodenarbeit bis Überkopftätigkeit .

Die technische Herausforderung liegt in der gleichzeitigen Unterstützung beider Körperregionen ohne Bewegungseinschränkung. Wie Rachel van Sluijs, Head of Research bei Auxivo, erläutert: Die grösste Herausforderung war, dass Überkopfarbeiten und Hebetätigkeiten einen grossen vertikalen Bewegungsumfang sowohl der oberen als auch der unteren Extremitäten erfordern .

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle: Kontrolle und Interaktion
Die Art und Weise, wie ein Exoskelett weiss, wann es unterstützen soll, ist ein eigenes Forschungsfeld. Drei Kontrollparadigmen dominieren aktuell.

Die einfachste Methode ist die mechanische Kopplung. Die Unterstützung ergibt sich unmittelbar aus der Bewegung des Trägers, ohne dass Sensoren oder Algorithmen eingreifen. Ein Federelement wird beispielsweise erst dann wirksam, wenn ein bestimmter Beugewinkel überschritten wird. Diese Systeme sind robust und intuitiv, bieten jedoch keine situationsspezifische Anpassung.

Die sensorbasierte Steuerung nutzt Beschleunigungssensoren, Gyroskope und Winkelmesser, um die Bewegung des Trägers zu erfassen. Ein intelligenter Algorithmus errechnet daraus den optimalen Unterstützungszeitpunkt und das benötigte Drehmoment. Moderne Systeme wie das JSI-KneExo verwenden absolute Encoder zur Gelenkwinkelmessung und Kraftsensoren zur Erfassung der Zylinderkraft . Die Herausforderung liegt in der Latenz: Jede Verzögerung zwischen Bewegungserkennung und Unterstützung wird vom Träger als unnatürlich und störend empfunden.

Die ambitionierteste Methode ist die prädiktive Steuerung auf Basis neuromuskulärer Signale. Elektromyographie-Sensoren messen die elektrische Aktivität der Muskeln noch vor der eigentlichen Bewegung. Ein Exoskelett, das diese Signale nutzt, kann die Unterstützung bereits initiieren, während der Träger noch die Bewegung plant. Das fühlt sich an, als wäre das Gerät eine natürliche Erweiterung des eigenen Körpers. Noch komplexer sind digitale Zwillinge des neuromuskulären Systems, wie sie im EU-Forschungsprojekt INTERACT entwickelt werden. Diese digitalen Kopien eines menschlichen Nerv-Muskel-Systems erlauben eine bisher unerreichte Personalisierung der Unterstützung .

Ergonomie und Akzeptanz: Der menschliche Faktor
Die beste Technologie nützt nichts, wenn sie nicht getragen wird. Eine aktuelle Studie zur Technologieakzeptanz von Exoskeletten in der Bau- und Fertigungsindustrie zeigt: Physischer Komfort und Bewegungsfreiheit sind die entscheidenden Faktoren für die Adoption. Überraschenderweise spielten Bedenken bezüglich persönlicher Privatsphäre oder mangelnder technischer Expertise keine signifikante Rolle .

Die praktische Umsetzung dieser Erkenntnisse ist komplex. Passform ist alles, wie Branchenkenner betonen. Wenn das Gerät nicht passt, ist es bestenfalls unbequem und schlimmstenfalls schädlich. Die Herausforderung liegt in der anthropometrischen Vielfalt der Belegschaft. Ein Gerät, das einem grossen, kräftigen Mann passt, kann einer kleinen Frau völlig ungeeignet sein. Hersteller wie das Karlsruher Institut für Technologie entwickeln daher Exoskelette mit umfangreichen Anpassungsmechanismen. Das KIT-EXO II beispielsweise umfasst neun einstellbare Freiheitsgrade und passt für Schuhgrössen von 38 bis 46 .

Ein weiterer kritischer Faktor ist die thermische Belastung. Exoskelette bedecken Körperareale, reduzieren die Luftzirkulation und erhöhen durch zusätzliche Masse den Energieverbrauch des Trägers. Im Sommer oder in schlecht belüfteten Hallen kann dies zur erheblichen Mehrbelastung führen. Soft Exosuits aus atmungsaktiven Textilien sind hier im Vorteil, erkaufen diesen Komfort jedoch mit geringerer Unterstützungsleistung .

Die Frage der Stigmatisierung ist nicht zu unterschätzen. Ein Mitarbeiter, der ein sichtbares Exoskelett trägt, könnte von Kollegen als schwach oder eingeschränkt wahrgenommen werden. In der Praxis scheint dieser Effekt jedoch geringer zu sein als befürchtet. In Branchen, in denen Exoskelette als normales Arbeitsmittel eingeführt wurden, entwickelte sich schnell eine Kultur, in der das Tragen als Zeichen von Professionalität und nicht von Schwäche gilt .

Energieeffizienz und Betriebsdauer
Ein technisches Problem, das oft unterschätzt wird, ist die Energieversorgung aktiver Systeme. Ein Exoskelett, das nach zwei Stunden den Akku verliert, ist für einen Acht-Stunden-Arbeitstag ungeeignet. Die Forschung arbeitet an mehreren Lösungen.

Die Energierückgewinnung aus negativer Muskelarbeit ist ein vielversprechender Ansatz. Beim Hinsetzen wird Energie freigesetzt, die normalerweise als Wärme verloren geht. Pneumatische Systeme können diese Energie nutzen, um einen Drucktank zu füllen. Das JSI-KneExo demonstriert diesen Effekt eindrucksvoll: Die beim Sitzen komprimierte Luft wird gespeichert und beim nächsten Aufstehen wieder genutzt . Ähnliche Konzepte existieren für Gehbewegungen, wo die Achillessehne als natürlicher Energiespeicher dient und technisch nachgebildet werden kann .

Die zweite Strategie ist die Optimierung der Aktuatoren. Pneumatische Muskeln haben ein exzellentes Verhältnis von Leistung zu Gewicht, benötigen jedoch Druckluft. Durch den Einsatz von Miniaturkompressoren und intelligenten Ventilschaltungen konnte das Gewicht tragbarer pneumatischer Systeme auf unter vier Kilogramm gesenkt werden .

Die dritte Strategie ist die Hybridisierung. Ein passives Grundsystem übernimmt die statische Grundlast, während ein kleiner aktiver Zusatz nur die Spitzenlasten abdeckt. Dies reduziert den Energiebedarf drastisch.

Zukunftsperspektiven: Wohin die Reise geht
Die Exoskelett-Forschung bewegt sich in mehreren spannenden Entwicklungslinien.

Die erste ist die Weiterentwicklung der Mensch-Maschine-Schnittstelle. Das EU-Forschungsprojekt INTERACT arbeitet an digitalen Zwillingen des menschlichen neuromuskulären Systems. Diese digitalen Kopien können vorhersagen, wie Muskeln, Sehnen und Nerven auf mechanische und elektrische Stimulation reagieren und sich anpassen. Erste Ergebnisse zeigen, dass querschnittsgelähmte Patienten mit solchen Systemen die Kontrolle über ihre Beine wiedererlangen konnten . Für das Facility Management bedeutet dies: Exoskelette, die sich individuell an den Träger anpassen, statt dass sich der Träger an das Exoskelett anpassen muss.

Die zweite Entwicklungslinie betrifft die Materialien. Soft Robotics und textile Exosuits sind ein aktives Forschungsfeld. Die Fortschritte bei elastomeren Materialien, Textilien und pneumatischen Aktuatoren ermöglichen immer leichtere und komfortablere Systeme. Die Prioritäten liegen auf Gewichtsreduktion, energieeffizienter Aktuierung und geschlossenen Regelkreisen für den Einsatz in der realen Welt.

Die dritte Linie ist die Integration von Künstlicher Intelligenz. Machine-Learning-Algorithmen lernen aus den Bewegungsmustern des Trägers und können die Unterstützung prädiktiv optimieren. Ein System, das erkennt, dass der Träger gleich einen schweren Karton heben wird, kann die Unterstützung bereits in der Vorbereitungsphase aufbauen.

Die vierte Perspektive betrifft die Skalierbarkeit. Aktuelle Exoskelette sind mit Preisen zwischen mehreren tausend und mehreren zehntausend Franken noch Investitionsgüter. Mit steigenden Stückzahlen und reiferer Technologie werden die Preise fallen. Parallel dazu entstehen Leih- und Abomodelle, die den Zugang für kleine und mittlere Unternehmen erleichtern.

Praktische Implementierung: Was heute schon möglich ist
Trotz aller Zukunftsperspektiven ist die Gegenwart bereits praxistauglich. In Frankreich hat das Transportunternehmen Keolis 30 Exoskelette in seine Wartungs- und Logistikabteilungen eingeführt. Die Geräte werden in der Bus- und Strassenbahninstandhaltung, der Infrastrukturwartung, der Karosseriearbeit und der Logistik eingesetzt. Ziel ist die Reduktion von Muskel-Skelett-Erkrankungen und die nachhaltige Verbesserung der Arbeitsbedingungen .

In der Schweiz ist Auxivo der führende Anbieter. Der OmniSuit ist seit Oktober 2023 auf dem Markt und explizit für Anwendungen in Wartung, Reinigung, Logistik und Facility Management konzipiert . Die Referenzinstallation bei Everllence in Zürich mit 25 Exoskeletten belegt die Praxistauglichkeit.

Für Entscheider im Facility Management empfiehlt sich ein gestufter Ansatz. Pilotprojekte in definierten Tätigkeitsfeldern erlauben die Evaluation von Akzeptanz, Effektivität und Wirtschaftlichkeit. Kritische Erfolgsfaktoren sind das richtige Sizing der Geräte, die Einbindung der Mitarbeiter in den Auswahlprozess und ein begleitendes Training. Exoskelette sind kein Ersatz für ergonomische Arbeitsplatzgestaltung, sondern eine Ergänzung. Wer sie als Teil einer ganzheitlichen Sicherheitskultur einführt, kann von reduzierten Ausfallzeiten, geringeren Fluktuationsraten und einer motivierteren Belegschaft profitieren.

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