ASU Ausgabe: 10-2018

Einsatz von Exoskeletten im beruflichen Kontext – Wirkung und Nebenwirkung

B. Steinhilber

R. Seibt

T. Luger

(eingegangen am 23.08.2018, angenommen am 05.09.2018)

Abstract deutsch

Einsatz von Exoskeletten im beruflichen Kontext – Wirkung und Nebenwirkung

Zielsetzung: Auf Basis der wissenschaftlichen Literatur sollen mögliche Auswirkungen durch den Einsatz von Exoskeletten im beruflichen Kontext aufgezeigt und diskutiert werden.

Methode: Es wurde eine Literaturrecherche in der Literaturdatenbank „PubMed“ durchgeführt. Die verwendete Schlagwortkombination war: ((exoskeleton AND occupation) OR (exoskeleton AND work) OR (exoskeleton AND industry)) OR (orthosis AND occupation).

Ergebnisse: Es wurden 186 Literaturstellen gefunden. Schließlich blieben davon elf inhaltlich passende Artikel übrig. Die Studien deuten darauf hin, dass Muskelskelettbelastungen bei beruflichen Tätigkeiten durch die Verwendung von Exoskeletten modifiziert werden können, indem es in der zu unterstützenden Körperregion zu einer Belastungsreduktion kommt und in anderen Körperregionen eine Belastungszunahme entsteht. Langzeitwirkungen dieser geänderten Muskelskelettbelastungen für die Gesundheit der Beschäftigten wurden bislang noch nicht untersucht. Auch Fragen bezüglich der Akzeptanz, Arbeitsleistung und -sicherheit können anhand der gefundenen Literatur nicht eindeutig geklärt werden.

Schlussfolgerung: Muskelskelettbelastungen von beruflichen Tätigkeiten können durch die Verwendung eines Exoskeletts modifiziert werden. Auswirkungen auf die Gesundheit von Beschäftigen sind bisher nur unzureichend erforscht.

Schlüsselwörter: Exoskelett – Muskel–Skelett-Belastung – Arbeitsgestaltung – Assistenzsystem

Abstract English

Exoskeletons in occupational settings – effects and side effects

Objective: The potential implications of using exoskeletons in occupational settings are identified and discussed on the basis of scientific literature.

Methods: A literature search was conducted in the “PubMed” database. The search string used was as follows: (exoskeleton AND occupation) OR (exoskeleton AND work) OR (exoskeleton AND industry)) OR (orthosis AND occupation).

Results: The search resulted in 186 hits, of which only eleven articles turned out to be suitable. The studies indicate that musculoskeletal loading during work-related activities can be modified by the use of exoskeletons: the strain is reduced in the area of the body to be supported and increased in other areas of the body. The long-term effects on workers’ health of this altered musculoskeletal loading have not yet been investigated. In addition, it is not possible to give a definitive answer to questions regarding acceptance, work output and work safety on the basis of the literature reviewed.

Conclusion: The use of an exoskeleton can modify musculoskeletal loading in work-related activities. The implications for the health of workers have not been sufficiently investigated.

Keywords: exoskeleton – musculoskeletal stress – workplace design – assistive device

Einleitung

Exoskelette sind äußere mechanische Stützstrukturen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit einer Person (Looze et al. 2016) und werden schon lange im Bereich der Rehabilitation und des Militärs eingesetzt. In den letzten Jahren wurden Exoskelette für vielfältige Anwendungsfälle in der Arbeitswelt entdeckt und gewinnen hierbei zunehmend an Relevanz. Einerseits wird mit ihnen die Chance verbunden, die ergonomische Arbeitsgestaltung zu optimieren, indem tätigkeitsspezifische Belastungen modifiziert werden. Dies könnte zur Prävention von arbeitsbedingten Muskelskelettbeschwerden beitragen bzw. leistungsgewandelten Mitarbeitenden weiterhin die Teilnahme am „normalen“ Arbeitsprozess ermöglichen. Andererseits gibt es jedoch Bedenken, dass durch die Nutzung von Exoskeletten neue Belastungen und Einschränkungen der Arbeitssicherheit entstehen sowie Exoskelette von den Beschäftigten wenig akzeptiert werden könnten (Asche 2017; Farin 2017, Nördinger 2015).

Exoskelette sind in ihrer technischen und funktionellen Ausgestaltung sehr vielfältig. Eine Charakterisierung dieser Assistenzsysteme erleichtert daher eine differenzierte Betrachtung. Nach De Looze et al. (2016) kann eine Unterscheidung z.B. durch die Art der Energiebereitstellung, der unterstützten Körperregion oder der beruflichen Tätigkeit vorgenommen werden. Demnach bezeichnet man ein Exoskelett als „aktiv“, wenn es über einen oder mehrere Aktuatoren verfügt, die die Leistungsfähigkeit eines Gelenksystems des Nutzers steigern. Passive Exoskelette hingegen kennzeichnen sich durch die Verwendung von Materialien, die in der Lage sind, Energie, die während einer Bewegung aufgenommen und gespeichert wird, wieder zur Stabilisierung oder Bewegungsunterstützung an den Nutzer zurückzugeben (Looze et al. 2016). Derzeit erscheinen insbesondere die aktiven Exoskelette mit dem Status eines Prototypen oder Funktionsmusters noch eher als unausgereift (Huysamen et al. 2018; Sylla et al. 2014; Rogge et al. 2017). Die vorliegenden Ausführungen beziehen sich daher überwiegend auf passive Exoskelette, von denen einige bereits in der betrieblichen Praxis eingesetzt werden können.

Methodik

Zur Erstellung dieses Beitrags wurde eine Literaturrecherche in der Literaturdatenbank PubMed durchgeführt. Die Suchstrategie umfasste die Schlagworte bzw. Schlagwortkombination ((exoskeleton AND occupation) OR (exoskeleton AND work) OR (exoskeleton AND industry)) OR (orthosis AND occupation) und ergab insgesamt 186 Treffer. Nach dem Screening aller Titel wurden von 53 Artikeln die Abstracts gesichtet und von 11 Artikeln die Volltexte gelesen. Zudem wurde eine ergänzende Handsuche auf Basis der gefundenen Literatur durchgeführt.

Ergebnisse

Wirkungen von Exoskeletten auf das Muskel-Skelett-System

Obwohl die Anzahl wissenschaftlicher Studien in den letzten fünf Jahren stetig zugenommen hat, sind die Wirkungen von Exoskeletten im Kontext beruflicher Tätigkeiten auf das Muskel-Skelett-System bisher kaum aufgeklärt. Die meisten Studien deuten darauf hin, dass ein unterstützendes Exoskelett zu einer Belastungsreduktion in der zu entlastenden Körperregion führt (Looze et al. 2016). Beispielhaft können dafür die Untersuchungen von Bosch et al. und Theurel at al. genannt werden.

Bosch und Kollegen (2016) untersuchten, ob die Muskulatur des Rückens durch ein Exoskelett, das Beuge- und Hebevorgänge unterstützt, eine Entlastung erfährt. Das passive Exoskelett sollte dabei Kräfte im unteren Rücken auf eine Brustauflage und Auflagen an den Oberschenkeln transferieren. Gegenstand der Untersuchung war eine simulierte Montagetätigkeit in vorgebeugter Oberkörperhaltung. Die mittels bipolarer Oberflächen-Elektromyograhpie erfasste Muskelaktivität verschiedener Muskeln des Rückens und der Oberschenkelrückseite konnte bei Verwendung des Exoskeletts im Vergleich zu Versuchsbedingung ohne Exoskelett klar reduziert werden (Bosch et al. 2016).

Ebenso führte die Verwendung eines passiven Exoskeletts zur Unterstützung der Schulterregion zu einer Verringerung der muskulären Beanspruchung in den oberen Extremitäten (Theurel et al. 2018). In dieser experimentellen Laborstudie wurden drei verschiedene manuelle Tätigkeiten mit und ohne Exoskelett durchgeführt. Im Schulterbereich (M. deltoideus) kam es dabei in zwei dieser Tätigkeiten zu einer klaren Reduktion der Muskelaktivität, in einer hingegen nur in der Tendenz.

Gleichzeitig zeigt die Studienlage jedoch auch, dass bei der Verwendung eines Exoskeletts mit einer Belastungszunahme in anderen Körperbereichen gerechnet werden muss, die über eine bloße Umverteilung der auftretenden Belastungen in der zu unterstützenden Körperregion hinausgeht (Theurel et al. 2018; Rashedi et al. 2014; Weston et al. 2018). Weston et al. (2018) haben in diesem Zusammenhang bei einem Exoskelett zur Entlastung der oberen Extremität eine erhöhte Druckbelastung der Lendenwirbelkörper gefunden. Auch in der oben bereits erwähnten Studie von Theurel et al. (2018), in der eine Abnahme der Schultermuskelaktivität auftrat, kam es in anderen Körperregionen wie dem Oberarm (M. triceps brachii) und Unterschenkel (M. tiabilis anterior) durch Verwendung des Exoskeletts zu einer deutlichen Zunahme der Muskelaktivität.

Zusätzlich scheinen die Exoskelett-Mensch-Schnittstellen (z.B. Auflageflächen) eine Quelle für zusätzliche Belastungen wie Druck und Reibung zu sein (Looze et al. 2016). Daub (2017) diskutiert weitere Aspekte von Exoskeletten und deren mögliche Wirkungen auf das Muskel-Skelett-System. Dabei werden Belastungen aufgrund des Eigengewichts von Exoskeletten genannt sowie eine mögliche Schwächung der Muskulatur, die aufgrund der Exoskelettunterstützung auf Dauer zu wenig gefordert werden könnte.

Wirkung auf die Arbeitsleistung

In einer Studie von Constantinescu et al. (2016) wurden verschiedene berufliche Anwendungsfälle für Exoskelette mittels Computersimulation betrachtet. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass teilweise die Gefahr einer Kollision zwischen dem Werkstück und Komponenten des Exoskeletts besteht und daher nicht alle Tätigkeiten für den Einsatz von Exoskeletten geeignet erscheinen. Bislang gibt es wenig Hinweise darauf, dass die Arbeitsleistung durch die Verwendung eines Exoskeletts eingeschränkt wäre, dennoch kann es bei einzelnen Tätigkeiten zu Leistungseinbußen im Sinne einer verlangsamten Tätigkeitsausführung kommen (Theurel et al. 2018).

Aspekte der Arbeitssicherheit

Arbeitssicherheitsrelevante Aspekte von Exoskeletten im beruflichen Kontext werden zwar in Informationsblättern wie z.B. in der zweiten Ausgabe 2018 des Fachbereichs Handel und Warenlogistik der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung thematisiert, dennoch waren diese bislang nur selten Inhalt wissenschaftlicher Untersuchungen. In einer aktuellen Studie von Luger et al. wurde die Sturzgefahr bei Verwendung eines Exoskeletts für die unteren Extremitäten untersucht. Dabei zeigte sich, dass je nach Verwendung/Einstellung des Exoskeletts und Anwendungsfall das Sturzrisiko zunehmen kann (Luger u. Steinhilber 2018; Luger et al. 2018). Daher sollten die beruflichen Anwendungsfälle, bei denen Exoskelette eingesetzt werden, mit Bedacht gewählt werden.

Akzeptanz von Exoskeletten

Eine hohe Nutzerakzeptanz ist ein zentrales Element für die Implementierung von Exoskeletten im betrieblichen Setting. Studien, in denen die Beschwerdewahrnehmung erfasst wurde, deuten darauf hin, dass die Beschwerden in der zu unterstützenden Körperregion bei Verwendung des Exoskeletts abnehmen (Rashedi et al. 2014; Bosch et al. 2016), gleichzeitig ergibt sich jedoch auch eine leicht erhöhte Beschwerdewahrnehmung im Bereich der Exoskelett-Mensch-Schnittstellen, also den Stellen, wo das Exoskelett in Kontakt zum Körper tritt (Bosch et al. 2016). Generell fällt auf, dass Studien auf unterschiedliche Befragungsinstrumente zurückgreifen. Diese reichen von Single Items (Rashedi et al. 2014) bis hin zu kompletten Fragebögen (Spada et al. 2017) und haben gemeinsam, dass sie nicht explizit zur Evaluation von Exoskeletten im beruflichen Kontext entwickelt wurden.

Quantität und Qualität bisheriger Studien

Generell konnte festgestellt werden, dass die meisten wissenschaftlichen Studien mit einer sehr geringen Anzahl an Probanden (n<5) durchgeführt wurden und überwiegend männliche Probanden an den Studien teilnahmen (Looze et al. 2016). Somit können die Ergebnisse häufig bestenfalls als „proof of concept“ betrachtet werden und die in den Studien gefundene Quantität von Belastungsreduktion bzw. -umverteilung sollte vorsichtig interpretiert werden. Ferner wurden oft nur spezifische Wirkungen von Exoskeletten untersucht, so dass keine Aussagen zur Wirkungen auf den gesamten Körper möglich waren (Looze et al. 2016). Ebenso gibt es bislang keine kontrollierten Studien, die über eine akute Wirkung des Exoskeletts auf das Muskel-Skelett-System hinausgegangen wären – langfristige Auswirkungen auf den arbeitenden Menschen sind dementsprechend noch unbekannt.

Fazit und Einschätzung zum aktuellen Kenntnisstand der Forschung

Obwohl anzunehmen ist, dass durch Verwendung eines Exoskeletts in der zu unterstützenden Körperregion eine Belastungsreduktion eintritt, ist unklar, ob dies für alle prinzipiell als geeignet erscheinenden Anwendungsfälle und potenzielle Nutzergruppen (z.B. Normal- vs. Übergewichtige) gleichermaßen zutrifft. Meist wurden nur einzelne Anwendungsfälle an jungen, gesunden und normalgewichtigen Personen untersucht. Ebenso ergibt sich über die Studien hinweg der Eindruck, dass jede Belastungsreduktion mit einer Belastungszunahme in anderen Körperregionen bzw. -strukturen einhergeht, die bislang schwierig zu deuten ist.

Zum jetzigen Stand der Forschung ist es weder möglich, eine konkrete und verlässliche Aussage über die Quantität einer potenziellen Belastungsreduktion und -umverteilung noch zu etwaigen gesundheitlichen Vorteilen oder Risiken durch eine regelmäßige Verwendung eines Exoskeletts im beruflichen Alltag zu treffen.

Es bleibt eine Vielzahl offener Forschungsfragen beispielsweise im Hinblick auf geeignete Anwendungsszenarien, Akzeptanz durch die Beschäftigten oder Sicherheitsaspekte bei der Verwendung von Exoskeletten. In Kombination mit einer raschen und stetigen Weiterentwicklung der Exoskelette ist anzunehmen, dass die Thematik eine zunehmende Rolle in der arbeitsphysiologischen, -wissenschaftlichen und -medizinischen Forschung der kommenden Jahre einnehmen wird. Eine wesentliche Herausforderung wird dabei sein, Studien mit hochwertigen Designs (z.B. ausreichende Fallzahl, Wahrung der wissenschaftlichen Neutralität, Einbezug einer Kontrollgruppe und Randomisierung der Probanden) sowie mit einem hohen Bezug zu relevanten beruflichen Tätigkeiten durchzuführen und gleichzeitig dem Wunsch zu entsprechen, in kurzer Zeit Erkenntnisse für die Praxis zu gewinnen.

Interessenkonflikt: Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.

Literatur

Asche S, Böckmann C: Schmerzhafter Arbeit den Rücken kehren. VDI Nachrichten, 2017. www.vdi-nachrichten.com/Gesellschaft/Schmerzhafter-Arbeit-den-Rücken-kehren (zuletzt abgerufen am: 03.08.2018).

Bosch T, van Eck J, Knitel K, Looze MP de: The effects of a passive exoskeleton on muscle activity, discomfort and endurance time in forward bending work. Appl Ergonom 2016; 54: 212–217.

Constantinescu C, Muresan P-C, Simon G-M: JackEx. The new digital manufacturing resource for optimization of exoskeleton-based factory environments. Procedia CIRP 2016; 50: 508–511.

Daub U: Evaluation aspects of potential influences on human beings by wearing exoskeletal systems. 17. Internationales Stuttgarter Symposium: Automobil- und Motorentechnik. Wiesbaden: Springer Fachmedien, 2017, S. 1331–1344.

DGUV Fachbereich Handel und Logistik: Einsatz von Exoskeletten an gewerblichen Arbeitsplätzen. Fachbereichs-Information: Fachbereich Handel und Logistik der DGUV, Sachgebiet Physische Belastungen (02/2018). https://www.dguv.de/medien/fb-handelundlogistik/pdf-dokumente/exoskelette.pdf.

Farin T: Ein Roboter für den Körper. Frankfurter Allgemeine, 2017. https://www.faz.net/aktuell/beruf-chance/beruf/exoskelette-maschine-zum- anziehen-die-koerperliche-arbeit-erleichtern-15341414.html (zuletzt abgerufen am: 03.08.2018).

Huysamen K, Looze MP de, Bosch T, Ortiz J, Toxiri S, O‘Sullivan LW: Assessment of an active industrial exoskeleton to aid dynamic lifting and lowering manual handling tasks. Appl Ergonom 2018; 68: 125–131.

Looze MP de, Bosch T, Krause F, Stadler KS, O‘Sullivan LW: Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load. Ergonomics 2016; 59: 671–681.

Luger T, Cobb TJ, Kreidler TJ, Seibt R, Hensel-Unger R, Rieger MA, Steinhilber B: Influence of different seat heights on muscle activity and postural control while wearing the passive exoskeleton Chairless Chair. 58. Wissenschaftliche Jahrestagung 2018 der Deutsche Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e.V. (DGAUM). München, März, 2018.

Luger T, Steinhilber B: Are standing stability and postural control critically influenced by wearing a passive lower-extremity exoskeleton? 58. Wissenschaftliche Jahrestagung 2018 der Deutsche Gesellschaft für Arbeitsmedizin und Umweltmedizin e.V. (DGAUM). München, März 2018.

Nördinger S: Exoskelette. Mechanische Muskeln stählen Werker-Rücken. Produktion – Technik und Wirtschaft für die deutsche Industrie, 2015. https://www.produktion.de/trends-innovation/exoskelette- mechanische-muskeln-staehlenwerker-ruecken-106.html (zuletzt abgerufen am: 03.08.2018).

Rashedi E, Kim S, Nussbaum MA, Agnew MJ: Ergonomic evaluation of a wearable assistive device for overhead work. Ergonomics 2014; 57: 1864–1874.

Rogge T, Daub U, Ebrahimi A: Status demonstration of the interdisciplinary development regarding the upper limb exoskeleton. Stuttgart Exo-Jacket”. 17. Internationales Stuttgarter Symposium. Stuttgart, 2017, S. 1317–1329.

Spada S, Ghibaudo L, Gilotta S, Gastaldi L, Cavatorta MP: Investigation into the applicability of a passive upper-limb exoskeleton in automotive industry. Procedia Manufacturing 2017; 11: 1255–1262.

Sylla N, Bonnet V, Colledani F, Fraisse P: Ergonomic contribution of ABLE exoskeleton in automotive industry. Int J Indust Ergonom 2014; 44: 475–481.

Theurel J, Desbrosses K, Roux T, Savescu A: Physiological consequences of using an upper limb exoskeleton during manual handling tasks. Appl Ergonom 2018; 67: 211–217.

Weston EB, Alizadeh M, Knapik GG, Wang X, Marras WS: Biomechanical evaluation of exoskeleton use on loading of the lumbar spine. Appl Ergonom 2018; 68: 101–108.

Für die Verfasser

Dr. rer. nat. Benjamin Steinhilber

Leitung Forschungsschwerpunkt Arbeitsbedingte Belastungen – Arbeitsgestaltung

Universitätsklinikum Tübingen

Institut für Arbeitsmedizin, Sozialmedizin und Versorgungsforschung

Wilhelmstr. 27 72074 Tübingen

Benjamin.Steinhilber@med.uni-tuebingen.de

ASU Arbeitsmed Sozialmed Umweltmed 2018; 53: 662–664

Literatur

Fussnoten

Institut für Arbeitsmedizin, Sozialmedizin und Versorgungsforschung (Direktorin: Prof. Dr. med. Monika A. Rieger), Universitätsklinikum Tübingen

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