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Exoskelett mit Kunststoff-Gleitlagern lässt Chirurgenarme „schweben“

| Redakteur: Peter Reinhardt

Assistenzarzt und Hauptoperateur – beide tragen bei einer laparoskopischen Operation den Airframe unter ihrer sterilen Kleidung.
Assistenzarzt und Hauptoperateur – beide tragen bei einer laparoskopischen Operation den Airframe unter ihrer sterilen Kleidung. (Bild: Center for the Future of Surgery)

Exoskelette entlasten ihre Träger bei anstrengenden Tätigkeiten – im OP wie auch in der Industrie. Dabei sorgen schmiermittelfreie Gleitlager für die erforderliche Beweglichkeit und Stabilität.

  • Ameisenähnliche Stützstruktur vermittelt Stabilität und Kraft
  • Schmiermittelfreie Gleitlager für den Operationsaal
  • Unter mehr als 540 kreativen Gleitlager-Anwendungen erringt das Exoskelett den ersten Preis

Lange Operationen sind für Chirurgen eine extreme körperliche Belastung. Häufig gehen sie mit Müdigkeit und Schmerzen einher. Daher fordern viele Ärzte ein System, das die Arme bei hebenden und streckenden Bewegungen entlastet. Denn gerade die chirurgische Feinarbeit, wie sie zum Beispiel bei endoskopischen Operationen unverzichtbar ist, lässt die Muskeln im Nacken und Schulterbereich schnell ermüden. Bisher bietet die Medizintechnik zwar schon statische Ablagesysteme an, aber keine Modelle, mit denen sich Mediziner im Operationssaal frei bewegen können. Wissend um dieses Problem machte sich Mark Doyle 2011 an die Arbeit und entwickelte in seiner Garage den Airframe.

Exoskelett entlastet die Arme und reduziert Müdigkeit

Der Airframe soll bei Arbeiten zum Einsatz kommen, welche Muskeln schnell müde werden lassen. Denn das Exoskelett unterstützt die Bewegungen der Oberarme. Dadurch steigert das Gerät die Leistungsfähigkeit, schont die Gesundheit und sorgt allgemein für bessere Arbeitsbedingungen – eine ergonomische Dreifachleistung. Doyle hat den Airframe entwickelt und rund um das neue Assistenzsystem im Jahr 2013 die Firma Levitate (engl. für „Schweben“) im kalifornischen San Diego mitgegründet. Zur Optimierung hat Doyle das tragbare Robotergestell an das Designbüro Pathway gegeben, bei der D&K wird das Exoskelett inzwischen produziert (s. Kasten).

Die Prinzipien des Airframes sind aus der Natur bekannt. Es handelt sich um eine Stützstruktur, die einem innenliegenden Körper Stabilität und Kraft vermittelt, ähnlich dem Exoskelett von Ameisen, Käfern oder Krebsen. Der Airframe verteilt das Eigengewicht von Armen, Schultergürtel und Nacken auf die Körpermitte. Dadurch verlangsamt die Technologie die Ermüdung der Muskulatur. „Der Airframe entlastet die Muskeln und unterstützt die Bewegungssequenzen. Dadurch verhindert er Verspannungen im Hals, im Schultergürtel und im oberen Rücken“, erklärt Doyle.

Ergänzendes zum Thema
 
Game Changer – der Markt für Exoskelette
Das große Interesse und die positiven Erfahrungen lassen Levitate auf stark steigende Auftragszahlen für den Airframe hoffen. Darauf bereitet man sich bereits vor.

Der Airframe ist wie ein Rucksack aufgebaut und lässt sich mit seinen verstellbaren Trägern flexibel an nahezu jede Körpergröße anpassen. Die Träger sind verbunden mit dem künstlichen Exoskelett, also dem mechanischen Gerüst aus Metallstreben, die die Gelenke und Achsen des Körpers nachbilden. Für das Einlegen der Arme gibt es knapp über dem Ellenbogen eine Schale, und parallel zum Oberarm ist am Gestell eine Kassette befestigt. So kann der Airframe in kurzer Zeit an- und abgelegt werden. Das Exoskelett wird schrittweise aktiv durch das Anheben der Arme und drosselt seine Kraft entsprechend, wenn die Arme gesenkt werden. So liefert es immer die passende Unterstützung zur passenden Zeit. Das große Geheimnis liegt in der präzisen Kraftsteuerung und in der Konfiguration ihres Mechanismus. „Und natürlich in der zugrunde liegenden Mathematik. Mehr wird nicht verraten, ist ja schließlich ein Geheimnis“, erklärt Doyle.

32 Gleitlager sorgen für Beweglichkeit

Die Medizintechnik hat ihren Bedarf an Exoskeletten bereits angemeldet – mit klaren Vorstellungen und Anforderungen. Damit reagieren sie auch auf die zunehmende Zahl von Muskel- und Skeletterkrankungen. Natürlich dürfen die Assistenzsysteme den Arbeitsfluss nicht behindern. Darum müssen die tragbaren Gestelle leicht, komfortabel und funktional sein. Doyle arbeitet dafür schon seit Langem mit Produkten des deutschen Motion-Plastics-Spezialisten Igus: „Dessen Produkte sind praktikabel, robust, konfigurierbar – und das Material passt. Die Igus-Lager haben eine hervorragende Qualität, sind laufruhig und haben eine hohe Lebensdauer“, ist Doyle zufrieden. Auch die Schmiermittelfreiheit war für ihn ein wichtiger Grund, sich für Igus zu entscheiden. Schließlich stellt die Medizintechnik besondere Hygieneanforderungen. Rund eine Million Bewegungszyklen soll der Airframe im Arbeitsmodus garantieren. Da müssen die 32 im Airframe verbauten Gleitlager schon einiges aushalten.

Seit Oktober 2015 ist das Designunternehmen Pathway mit an Bord. Sie haben die Aufgabe übernommen, aus dem Prototyp ein marktfähiges System zu machen. Pathway-Konstrukteure wie Arthur Deptala aus dem kalifornischen San Diego haben den Airframe für die großen Herausforderungen in Sachen Kraftregelung und Anpassungsfähigkeit optimiert. Sie haben ihn den Ansprüchen der Industrie angepasst und ihn zu dem eleganten Modell weiterentwickelt, das es heute ist. In dem mechanischen Stützsystem sind verschiedene Iglidur-Lager aus dem Igus-Sortiment verbaut, darunter zylindrische Gleitlager mit und ohne Bund sowie Anlaufscheiben. Auch in der sogenannten Kassette helfen verschiedene Lager bei der schrittweisen Aktivierung des Assistenten bei jeder Armbewegung.

Damit sich das Exoskelett mühelos den Bewegungen des Trägers anpassen kann und nicht in seinen Arbeitsbereich eingreift, muss es leicht und kompakt sein und auch bei hohen axialen Lasten bis 100 kg reibungslos funktionieren. Diese hohen Ansprüche sind laut Levitate mit den Gleitlagern aus Hochleistungskunststoffen gut zu erfüllen. Darüber hinaus müssen die Lager eine hohe Lebensdauer garantieren und möglichst kostengünstig sein. Iglidur G kommt als Werkstoff an den Stellen zum Einsatz, an denen die Lager besonders hohe Lasten aufnehmen müssen. Das deutlich kostengünstigere Iglidur-M250-Lager erfüllt die notwendigen Ansprüche bei niedriger Belastung. Der Online-Konfigurator und -Lebensdauerrechner des Lieferanten haben laut Doyle dabei geholfen, das optimale Lager für den Airframe zu finden.

Pathway nutzt als Designbüro ebenfalls schon seit Jahren Igus-Produkte in seinen Entwicklungen. Pathway war es auch, das den Airframe Anfang des Jahres zum Industrie Award „Manus“ eingereicht hatte. Unter mehr als 540 kreativen Anwendungen mit Igus-Gleitlagern aus 35 Ländern hat das Exoskelett den ersten Preis gewonnen.

Der Airframe – für Chirurgen erdacht und mit Erfolg getestet

Doch zurück zu den Anfängen: Um die Funktionsfähigkeit des Airframes zu beweisen, stellte Doyle den Airframe schon im Jahr 2011 für Tests und praktische Arbeiten zur Verfügung. Chirurgen, die das tragbare Gestell bei Operationen einsetzen, bestätigten den positiven Effekt auf ihre Arbeit. Das Internal Review Boards (IRB) der Medizinischen Universität von San Diego konnte dies in einer Studie belegen und zeigen, wie sich die Leistungsfähigkeit von Ärzten bei Operationen mit und ohne Exoskelett unterscheidet. So halbiert sich das Müdigkeitsempfinden bei Operationen nach 12 Minuten nahezu, und die Schmerzrate nimmt um etwa 25 Prozent ab.

Die Studie belegt, dass der Airframe zum einen die Leistungsfähigkeit deutlich fördert und zum anderen das Gesundheitsrisiko deutlich reduziert. Die Ergebnisse für den Airframe im Operationssaal lassen sich leicht auch auf andere Arbeitsstätten übertragen, in denen Menschen Arbeiten ausführen, die für Arme, Rücken und Nacken anstrengend sind. Statistiken von Krankenversicherungen zufolge sind Muskel-Skelett-Erkrankungen die zweithäufigste Ursache für Berufsunfähigkeit, deutlich nach psychischen Erkrankungen, aber noch vor Krebs oder Herz-Kreislaufleiden. Exoskelette können also dazu beitragen, die Gesundheitskosten deutlich zu senken. Daher werden sie heute schon von Krankenkassen angefordert und getestet.

Wie gut sich der Aiframe in den Arbeitsalltag der Monteure integrieren lässt, zeigt unter anderem ein Video bei BMW USA in Spartanburg, South Carolina. Den Airframe sehen Sie ab Sekunde 0:45 für einige Sekunden im Einsatz.

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Weitere Artikel über Gleitlager, andere OEM-Komponenten und Werkstoffe finden Sie in unserem Themenkanal Konstruktion.

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