Exoskeletons: Current State of Knowledge
Hintergrund
Zwischen 2008 und 2020 hat sich der Anteil der Arbeitsausfalltage aufgrund von Muskel-Skelett-Erkrankungen (MSE) von 24,6 % auf 22,6 % kaum verändert (Bundesministerium für Arbeit und Soziales, BMAS, u. Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, BAuA, 2021, 2010) (➥ Abb. 1). Dabei sind MSE die häufigste Ursache für krankheitsbedingte Fehlzeiten und liegen damit noch vor psychischen Erkrankungen und Atemwegserkrankungen (jeweils rund 15 %). Es fällt auf, dass MSE besonders stark im produzierenden Gewerbe (26,8 %) und im Baugewerbe (28,3 %) vertreten sind (BMAS u. BAuA 2021). In der Gruppe der MSE machen Schulterläsionen nach Rückenschmerzen den zweitgrößten Anteil an den Arbeitsausfällen aus (Knieps et al. 2019). Betrachtet man die Zahl der verursachten Arbeitsausfalltage, so gehören Rückenschmerzen, Bandscheibenschäden und Schulterverletzungen zu den zehn häufigsten Einzeldiagnosen (Knieps et al. 2019). Folglich besteht nach wie vor ein hoher Handlungsbedarf, um arbeitsbedingte MSE zu reduzieren.
Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten, die Belastungen des Bewegungsapparats bei körperlich anstrengenden Tätigkeiten an Industriearbeitsplätzen zu verringern. Arbeitsschutzmaßnahmen folgen dabei dem TOP-Prinzip. Nach Arbeitsschutzgesetz § 4 sind Gefährdungen direkt an der Quelle zunächst durch technische Maßnahmen (T) zu beseitigen oder zu vermindern. Bleibt das erhoffte Ergebnis aus, werden organisatorische Maßnahmen (O) eingesetzt. In der Hierarchie der Schutzmaßnahmen stehen die personenbezogenen Maßnahmen (P) an der letzten Stelle. Ein Beispiel für personenbezogene Maßnahmen stellt unter anderem Schutzkleidung dar. In den letzten Jahren wurde der Einsatz von Exoskeletten zunehmend als eine weitere Möglichkeit diskutiert, die Zahl der Fehlzeiten aufgrund von arbeitsbedingten MSE nachhaltig zu reduzieren.
Was sind Exoskelette?
Das Grundprinzip von Exoskeletten ist relativ einfach. In Abhängigkeit von der Funktionsweise lässt sich zwischen passiven und aktiven Exoskeletten unterscheiden. Passive Exoskelette verfügen über energiespeichernde Elemente (z. B. Federsysteme). Aktive Exoskelette enthalten zudem energiezuführende Antriebe, wie zum Beispiel Elektromotoren. Exoskelette können auch als vom Menschen getragene Unterstützungssysteme bezeichnet werden, die mechanisch in das Muskel-Skelett-System eingreifen (Schick 2018). Die wichtigste Funktion eines Exoskeletts besteht darin, den Körper in bestimmten Bereichen zu unterstützen (z. B. durch eine gezielte Bewegungsunterstützung oder Stabilisierung), indem es die Kräfte auf andere Bereiche des Körpers umverteilt.
Aus diesem Grund wird bei den meisten Exoskeletten eine entsprechend gerichtete Kraft auf den Körper ausgeübt, um ein Entlastungsdrehmoment am zu entlastenden Gelenk zu erzeugen (➥ Abb. 2). So sollen gezielt bestimmte Körperregionen des Bewegungsapparats entlastet werden, um dadurch eine situative kurzzeitige Reduktion der muskuloskelettalen Belastung zu bewirken. Auf diese Weise sollen Exoskelette der Entwicklung von MSE nachhaltig entgegenwirken, wenn sie über einen längeren Zeitraum hinweg eingesetzt werden. Das primäre Ziel eines Exoskeletts ist daher die Körperregion-spezifische Entlastung des Muskel-Skelett-Systems.
Anforderungen an Exoskelette
Die Anforderungen an arbeitsplatztaugliche Exoskelette sind vielfältig. Zum einen soll das Exoskelett bequem sein und ein möglichst natürliches Erscheinungsbild haben. Zum anderen soll es sicher und vor allem zuverlässig wirken.
Vor der (auch testweisen) innerbetrieblichen Einführung von Exoskeletten ist zu beachten, dass eine gesonderte Gefährdungsbeurteilung erforderlich ist, die insbesondere solche Gefährdungen erfasst, die erst durch den Einsatz von Exoskeletten hervorgerufen werden könnten. Diese Beurteilung muss alle Gefährdungen umfassen, die aus dem Exoskelett selbst, der Arbeitsumgebung und den Arbeitsgegenständen, an denen Tätigkeiten mit Exoskeletten ausgeführt werden, entstehen können (vgl. BGBl 2019). Unter diesen Tätigkeiten sind auch solche zu berücksichtigen, die in alltäglichen oder außerordentlichen Situationen (z. B. Verletzung, Feueralarm, Notfall) ausgeführt werden müssen (Liedtke et al. 2020). Es ist insbesondere bei der Gefährdungsbeurteilung beruflicher Tätigkeiten zu beachten, dass ein Exoskelett nach derzeitigem Wissensstand nicht geeignet ist, eine bereits identifizierte Gefährdung so zu reduzieren oder zu beseitigen, dass es die Tätigkeit überhaupt erst ermöglicht. Im Rahmen des Forschungsprojekts Exo@Work hat das Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (IFA) den Entwurf einer Gefährdungsbeurteilung für Exoskelette und deren Einsatz erarbeitet (Ralfs et al. 2022). Diese Muster-Gefährdungsbeurteilung soll die Ermittlung und Beurteilung von Gefährdungen im Unternehmen vereinfachen und so zu einem sicheren Umgang mit Exoskeletten in der Praxis beitragen. Sie steht zur freien Verwendung als Download zur Verfügung (IFA DGUV 2021, s. „Weitere Infos“).
Allerdings müssen Exoskelette nicht nur einen Schutz vor der zu vermeidenden Gefahr bieten, sondern dürfen gleichzeitig keine andere größere Gefährdung verursachen. Unter den hier beschriebenen Umständen stellen hohe Muskel-Skelett-Belastungen und die daraus resultierende mögliche Entwicklung von MSE das entsprechende zu vermeidende Gefahrenszenario dar. Das Exoskelett soll folglich hohe muskuloskelettale Belastungen einzelner Körperregionen verringern, ohne andere Körperregionen durch die Umverteilung der Kräfte und Momente zu gefährden.
Wirksamkeit von Exoskeletten
Zunächst ist es notwendig, dass grundsätzliche biomechanische Wirkprinzip der Intervention mit Exoskeletten unter kontrollierten Bedingungen in Querschnittsstudien im Labor zu überprüfen. Dies beinhaltet die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Exoskelette. Nur wenn die Eigenschaften (Unterstützungskennlinien) der Exoskelette bekannt sind, können die resultierenden Gelenkmomente über biomechanische Modellrechnungen abgeleitet werden. Die idealen Unterstützungskennlinien können mit entsprechend an den Exoskeletten angebrachten Kraftsensoren ermittelt werden. Bei aktiven Exoskeletten können die Drehmoment-Zeit-Verläufe gegebenenfalls auch direkt aus den Elektromotoren ausgelesen werden. Aus dem Nachweis des biomechanischen Wirkprinzips der Exoskelette lässt sich jedoch noch keine nachhaltige Wirksamkeit im Sinne einer Reduzierung der Muskel-Skelett-Beschwerden ableiten. Dazu ist es notwendig, die Wirksamkeit von Exoskeletten hinsichtlich der Prävention von muskuloskelettalen Beschwerden und den daraus möglicherweise resultierenden MSE des menschlichen Bewegungsapparats in prospektiven Feldstudien unter realen Bedingungen am Arbeitsplatz an der jeweils aktuellen Nutzergruppe zu untersuchen (präventive Wirksamkeit).
Im industriellen Bereich lässt sich allerdings bereits beobachten, dass dort in Pilotanwendungen sowohl passive als auch aktive Exoskelette zur Reduzierung von Muskel-Skelett-Belastungen eingesetzt werden.
Daher müssen im Sinne des Arbeitsschutzes beziehungsweise der Sicherheit und Gesundheit der Beschäftigten das biomechanische Wirkprinzip und die präventive Wirksamkeit von Exoskeletten wissenschaftlich hinterfragt, untersucht und verstanden werden. Trotz der stetig steigenden Zahl von Publikationen finden sich allerdings bisher nur wenige Studien, die genau dies zumindest teilweise für die betroffenen Körperregionen untersuchen.
Biomechanisches Wirkprinzip
Die biomechanische Wirkungsweise eines Exoskeletts auf die tragende Person kann über eine Vielzahl von Parametern evaluiert werden (Überprüfung des biomechanischen Wirkprinzips). Zu diesem Zweck wurden in verschiedenen systematischen Übersichtsarbeiten entsprechende Studien hinsichtlich der untersuchten Parameter überprüft (De Bock et al. 2022; Hoffmann et al. 2022). De Bock et al. stellten fest, dass das biomechanische Wirkprinzip von Exoskeletten am häufigsten mittels Elektromyographie (EMG) untersucht wurde (75%). Biomechanische Parameter (einschließlich Gelenkwinkel und -momente) wurden in 37% aller einbezogenen Studien angegeben, und 16% der Arbeiten berichteten über exoskelettale Parameter, das heißt Daten, die direkt am Exoskelett erfasst wurden, wie beispielsweise Kraftmesszellen- oder Drehmomentsensordaten (vgl. De Bock et al. 2022).
Elektromyographie
Einige Studien zu Schulterexoskeletten berichten von einer Verringerung der Muskelaktivität der Schulter- und Nackenmuskulatur um 10 bis 50% (u. a. Maurice et al. 2019). Ebenso zeigen die meisten Studien zu passiven und aktiven rumpfunterstützenden Exoskeletten eine signifikante Reduktion der Muskelaktivität beim Heben von Lasten im Bereich von 10 bis 30% (u. a. Glitsch et al. 2020). Was den Einfluss eines Exoskeletts auf die antagonistischen Muskeln beim Heben der Arme und auf die Bauch-, Rumpf- und Beinmuskeln betrifft, so zeigen einige Studien entgegengesetzte Effekte. Während in einer Studie eine Abnahme der Muskelaktivität des Musculus triceps brachii bei nachgestellter Überkopfmontage festgestellt wurde (Rashedi et al. 2014), zeigten andere Studien eine erhöhte Aktivität dieses Muskels bei der Verwendung von Schulterexoskeletten (u. a. Alabdulkarim u. Nussbaum 2019).
Die meisten Studien konzentrierten sich auf die Elektromyographie als einzig angewandte Methode zur Bewertung von Exoskeletten, was die Verwertbarkeit der Studienergebnisse allerdings begrenzt. In diesem Zusammenhang weist die Übersichtsarbeit von Hof auf die Gefahren einer unkritischen Interpretation von EMG-Daten hin (Hof 1997). Zwar zeigen statische isometrische Kontraktionen in der Regel eine lineare Beziehung zwischen Muskelkraft und dem geglätteten gleichgerichteten EMG-Signal, doch sollte berücksichtigt werden, dass in der Regel mehrere Muskeln gleichzeitig um ein Gelenk herum aktiv sind. Dies hat zur Folge, dass die Beziehung zwischen dem EMG-Signal eines einzelnen Muskels und dem gesamten Gelenkmoment nicht zwangsläufig linear ist. Bei der Untersuchung von Bewegungen ist zudem zu beachten, dass die gemessenen EMG-Signale bei konzentrischen Bewegungen größer sind als bei isometrischen Bewegungen (vgl. Hof 1997).
Darüber hinaus treten leicht Bewegungs- und EKG-Artefakte auf, die eine Auswertung des kontinuierlichen EMG-Signals erschweren. Solche Artefakte sind häufig dann zu finden, wenn die EMG-Signalstärke ohnehin gering ist. In manchen Fällen begünstigen das Exoskelett oder die über den Körper geführten Gurte das Auftreten derartiger Artefakte noch zusätzlich (Glitsch et al. 2020).
Aus den Erkenntnissen solcher Studien kann folglich nur eine bedingte Bestätigung des zugrunde liegenden biomechanischen Wirkprinzips der jeweiligen im Labor untersuchten Exoskelette angenommen werden. Wie das Exoskelett jedoch mechanisch auf den Körper wirkt, lässt sich daraus nicht ableiten.
Biomechanische Gelenkbelastung
Die Entlastungswirkung von Exoskeletten auf den Bewegungsapparat kann meist nicht direkt gemessen werden. Daher kann diese Entlastungswirkung mit Hilfe eines biomechanischen Modells anhand der zuvor im Labor ermittelten Exoskelett-Unterstützungskennlinie bestimmt werden (Ralfs et al. 2022). Die Exoskelett-Unterstützungskennlinie entspricht der Exoskelett-spezifischen Rückstelldrehmoment-Winkel-Kurve (➥ Abb. 3). Sie kann mit Hilfe einer Messung der Interaktionskräfte an den Kontaktflächen Exoskelett-Mensch in Verbindung mit der Bewegungsanalyse bestimmt werden.
Unter Kenntnis der Exoskelett-Unterstützungskennlinien kann das vom Exoskelett auf den menschlichen Körper übertragene Unterstützungsdrehmoment mittels biomechanischer Modellrechnungen bestimmt und das auf das untersuchte Gelenk wirkende resultierende Gelenkmoment ermittelt werden (Glitsch et al. 2020). Das Gelenkmoment stellt eine Kenngröße zur Bewertung der Gelenkbelastung dar und ermöglicht eine Unterscheidung zwischen unterstütztem und nicht unterstütztem Gelenk sowie möglicherweise zusätzlich belasteten Gelenken. Darüber hinaus kann aus dem Gelenkmoment und der entsprechenden Muskelmodellierung mit Hilfe geeigneter Softwarepakete, die am Zielgelenk wirkende Gelenkkompressionskraft abgeleitet werden (Ralfs et al. 2022).
In einer aktuellen Übersichtsarbeit über rumpfunterstützende Exoskelette berichten die Autoren, dass Gelenkmomente an der unteren Wirbelsäule (L5/S1) bisher nur in sechs Studien untersucht wurden. In den eingeschlossenen Studien erfuhren die Probanden eine signifikante Verringerung der L5/S1-Momente zwischen 3% bis 23% (vgl. Kermavnar et al. 2021).
Ein weiterer ähnlicher Übersichtsartikel über die Auswirkungen aktiver und passiver Schulterexoskelette berichtet ebenfalls von wenigen Studien, die das Wirkprinzip auf der Grundlage biomechanischer Parameter bestätigen. Den Autoren sind nur einzelne veröffentlichte Studien bekannt, die die mechanischen Auswirkungen von Schulterexoskeletten auf das Schultergelenk ermittelt haben (vgl. McFarland u. Fischer 2019).
Präventive Wirksamkeit
Die Annahme, dass die durch Exoskelette erzeugten unterstützenden Drehmomente und Kräfte bestimmte Regionen des menschlichen Bewegungsapparats bei beruflichen Tätigkeiten entlasten und damit die Entstehung von Muskel-Skelett-Erkrankungen verlangsamen oder gar verhindern können, lässt sich nicht durch eine Bestätigung des biomechanischen Wirkprinzips belegen.
Leider ist die präventive Wirksamkeit von Exoskeletten hinsichtlich der Entwicklung von Muskel-Skelett-Erkrankungen bei den Beschäftigten bisher noch nicht ausreichend untersucht worden. Die aktuelle S2k-Leitlinie „Einsatz von Exoskeletten im beruflichen Kontext zur Primär-, Sekundär- und Tertiärprävention von arbeitsassoziierten muskuloskelettalen Beschwerden“ befasst sich mit dem potenziellen Einsatz von Exoskeletten am Arbeitsplatz zur Prävention von Muskel-Skelett-Beschwerden (Steinhilber et al. 2020). Die in der Leitlinie berücksichtigte wissenschaftliche Literatur berichtet nur von den situativen kurzfristigen Auswirkungen von Exoskeletten auf die Belastung des Bewegungsapparats. In der Literatur konnten keine Belege für eine präventive Wirkung von Exoskeletten auf Beschwerden oder Erkrankungen des Bewegungsapparats gefunden werden. Vor allem konnten keine präventiven Wirkungen durch die Verwendung von Exoskeletten zur Unterstützung der oberen Extremitäten, einschließlich Schulter, Kopf, Hals und Nacken, für die Verwendung von Exoskeletten zur Unterstützung des Rumpfes, einschließlich der Wirbelsäule, und für die Verwendung von Exoskeletten zur Unterstützung der unteren Extremitäten, einschließlich der Hüfte und des Beckens, gefunden werden (vgl. Steinhilber et al. 2020).
Fazit
Aus der Literatur lassen sich einige Hinweise auf das zugrunde liegende biomechanische Wirkprinzip von Exoskeletten zur Verringerung der Muskelbeanspruchung bei beruflichen Tätigkeiten ableiten. Die Aussagekraft der Ergebnisse wird jedoch dadurch zusätzlich eingeschränkt, dass die meisten Studien industrielle Arbeitstätigkeiten, zum Beispiel Bohren, Verdrahten, Heben, Transportieren, Stapeln von Lasten, Montagetätigkeiten, Präzisionsarbeiten und quasistatische Überkopfarbeiten, lediglich im Labor nachstellten.
Kermavnar et al. kommen außerdem zu dem Schluss, dass eine verbleibende Herausforderung für die breite Einführung dieser Technologien in der Industrie auch noch darin besteht, dass die Exoskelett-Konstruktionen eine noch bessere Benutzerfreundlichkeit und Benutzererfahrung ohne negative Nebenwirkungen gewährleisten müssen. Um dieses Ziel zu erreichen, muss mehr Gewicht auf Feldstudien gelegt werden, bei denen die Zielgruppe (z. B. Industriearbeiterinnen und -arbeiter) das Exoskelett über längere Zeiträume in der realen Arbeitsumgebung einsetzt und nicht im Labor. Zudem müssen die Testverfahren und die Dokumentation der Ergebnisse standardisiert werden (vgl. Kermavnar et al. 2021), um eine Vergleichbarkeit des Wirkprinzips zwischen den verschiedenen Exoskeletten herzustellen.
Auch wenn in Zukunft sowohl das biomechanische Wirkprinzip als auch die präventive Wirksamkeit von Exoskeletten nachgewiesen werden könnte, fehlt es derzeit noch an einer breiten Akzeptanz in der anvisierten Zielgruppe. Jedenfalls ist uns bis zum heutigen Zeitpunkt kein alltäglicher Anwendungsfall von Exoskeletten in einem Unternehmen in Deutschland bekannt, der auf eine breite Akzeptanz der Beschäftigten stößt.
Ungeachtet dessen ist jedoch festzustellen, dass sich die industriellen Exoskelette in den letzten Jahren deutlich weiterentwickelt haben und von großem Nutzen sein könnten, wenn es darum geht, die körperbereichsspezifischen Muskel-Skelett-Belastungen der Beschäftigten zu verringern.
Ausblick
Zur Beantwortung der übergreifenden Fragen sind weitere Studien zum biomechanischen Wirkprinzip und zur nachhaltigen präventiven Wirksamkeit von Exoskeletten notwendig. Aktuell sind bereits erste prospektive Feldstudien zum Einsatz von Exoskeletten an realen Arbeitsplätzen bei unterschiedlichen Industriepartnern geplant. Hierbei beteiligen sich unterschiedliche Partner aus Forschung, Industrie und Unfallversicherung, um einen möglichst breiten interdisziplinären Ansatz zu gewährleisten.
Interessenkonflikt: Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.
Literatur
Alabdulkarim S, Nussbaum MA: Influences of different exoskeleton designs and tool mass on physical demands and performance in a simulated overhead drilling task. Appl Ergon 2019; 74: 55–66.
BGBl: Betriebssicherheitsverordnung vom 03.02.2015 (BGBl. I S. 49), die zuletzt durch Artikel 1 der Verordnung vom 30. 4. 2019 (BGBl. I S. 554) geändert worden ist (2019).
BMAS, BAuA (Hrsg.): Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit – Berichtsjahr 2008: Unfallverhütungsbericht Arbeit. Dortmund, Berlin, Dresden: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, 2010.
BMAS, BAuA (Hrsg.): Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit – Berichtsjahr 2020: Unfallverhütungsbericht Arbeit. Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, 2021.
De Bock S, Ghillebert J, Govaerts R et al.: Benchmarking occupational exoskeletons: An evidence mapping systematic review. Appl Ergon 2022; 98: 103582.
Glitsch U, Bäuerle I, Hertrich L, Heinrich K, Liedtke M: Biomechanische Beurteilung der Wirksamkeit von rumpfunterstützenden Exoskeletten für den industriellen Einsatz. Z Arbeitswiss 2020; 74: 294–305.
Hof AL: The relationship between electromyogram and muscle force. Sportverletz Sportschaden 1997; 11: 79–86.
Hoffmann N, Prokop G, Weidner R: Methodologies for evaluating exoskeletons with industrial applications. Ergonomics 2022; 65: 276–295.
IFA DGUV: Muster-Gefährdungsbeurteilung (2021): https://www.dguv.de/ifa/praxishilfen/praxishilfen-ergonomie/exoskelette…. Zugegriffen 30. März 2021
Kermavnar T, de Vries AW, de Looze MP, O’Sullivan LW: Effects of industrial back-support exoskeletons on body loading and user experience: an updated systematic review. Ergonomics 2021; 64: 685–711.
Knieps F, Pfaff H, Adli M, BKK Dachverband: Psychische Gesundheit und Arbeit Zahlen, Daten, Fakten. Berlin, 2019.
Liedtke M, Glitsch U, Heinrich K, Bömer T, Werner C: Exoskelette – Aspekte der Gefährdungsbeurteilung. 2020, S. 6.
Maurice P, Camernik J, Gorjan D et al.: Objective and subjective effects of a passive exoskeleton on overhead work. IEEE Trans. Neural Syst Rehabil Eng 2019; 99: 1–1.
McFarland T, Fischer S: Considerations for industrial use: a systematic review of the impact of active and passive upper limb exoskeletons on physical exposures. IISE Trans. Occup Ergon Hum Factors 2019; 7: 322–347.
Ralfs L, Hoffmann N, Linneberg C et al.: BGHW-Studie Exo@Work – Bewertung exoskelettaler Systeme in der Arbeitswelt – Abschlussbericht. Leopold-Franzens-Universität Innsbruck, Institut für Arbeitsschutz der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung. 2022.
Rashedi E, Kim S, Nussbaum MA, Agnew MJ: Ergonomic evaluation of a wearable assistive device for overhead work. Ergonomics 2014; 57: 1864–1874.
Schick R: Einsatz von Exoskeletten an gewerblichen Arbeitsplätzen. DGUV Forum 2018; 1–2: 8–11.
Steinhilber B, Luger T, Schwenkreis P et al.: Einsatz von Exoskeletten im beruflichen Kontext zur Primär‑, Sekundär-, und Tertiärprävention von arbeitsassoziierten muskuloskelettalen Beschwerden. Z Arbeitswiss 2020; 74: 227–246.
doi:10.17147/asu-1-240858
WEITERE INFOS
IFA DGUV: Muster-Gefährdungs- beurteilung Exoskelette, 2021
https://www.dguv.de/ifa/praxis hilfen/praxishilfen-ergonomie/ exoskelette/index.jsp
Projekt: Exo@Work
https://www.dguv.de/ifa/ forschung/projektverzeichnis/ ifa4235.jsp
Kurzfassung des Abschluss- berichts des Projekts: Exo@Work (BGHW-Seite)
https://kompendium.bghw. de/bghw/xhtml/document. jsf?alias=bghw_fors_b12fbbsew _1_&&event=navigation
Kernaussagen
die möglichen Gefährdungen durch den Einsatz von Exoskeletten bezieht.
Kontakt
Foto: privat
Koautoren
Das PDF dient ausschließlich dem persönlichen Gebrauch! - Weitergehende Rechte bitte anfragen unter: nutzungsrechte@asu-arbeitsmedizin.com.
