Ein Exoskelett mit dem man doppelt so schnell laufen kann

Forscher haben ein federbelastetes Exoskelett erfunden, das die Laufgeschwindigkeit um 50 % erhöhen kann, ohne dass Batterien oder ein externer Motor benötigt werden. Ein leichtes und tragbares Gerät, inspiriert vom Fahrradpedal, das die menschliche Leistung beim Sport oder bei der Polizei steigern könnte.

Werden wir bald in der Lage sein, ein Fahrrad beim Laufen einzuholen? Das ist die Herausforderung, die David Braun, Professor für Mechanik und Informatik an der Vanderbilt University in den Vereinigten Staaten, stellt. Mit seinen Studenten entwarf er ein gefedertes Exoskelett, das von der Dynamik von Fahrradpedalen inspiriert ist. Seinen Berechnungen zufolge könnte dieses Gerät 18 Meter pro Sekunde erreichen, also fast 65 km/h.

Ein vom Fahrradpedal inspiriertes Exoskelett

Viele robotische Exoskelette wurden entwickelt, um gelähmten Menschen wieder beim Gehen zu helfen, schwere Lasten zu heben oder das Gewicht der Ausrüstung von Soldaten zu entlasten. Sie verwenden Aktoren und externe Energie (Motoren und Batterien), um die menschliche Kraft zu ergänzen. Aber keiner von ihnen kann ohne Strom schneller laufen.

„Was die menschliche Geschwindigkeit angeht, ist das Fahrrad seit mehr als einem Jahrhundert der amtierende Champion“, sagt David Braun. Dass das Fahrrad wesentlich höhere Geschwindigkeiten erreichen kann als das Laufen, ist der Erfindung des Pedals im Jahr 1868 zu verdanken. Das Treten hat drei Vorteile: Es verliert keine Energie, wenn der Fuß den Boden berührt, es trägt einen Teil des Körpergewichts, und es treibt den Radfahrer kontinuierlich an, im Gegensatz zum Laufen, bei dem der Antrieb nur dann erfolgt, wenn der Fuß den Boden berührt.

Beschleunigen Sie, wenn Sie an Geschwindigkeit gewinnen

Um diesen Vorteil auf das Laufen zu übertragen, entwarfen David Braun und sein Team ein Exoskelett auf Federn, das beim Abstoßen vom Boden Energie speichert und diese wieder abgibt, wenn das Bein in der Luft ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Federn, deren Steifigkeit konstant ist und vom Material abhängt, nimmt die Steifigkeit dieser Feder mit zunehmender Verkürzung zu.

Diese Steifigkeit bestimmt die Kraft, mit der der Läufer gegen den Boden drückt, um den Körper zu beschleunigen: Je steifer die Feder, desto größer ist die Vortriebskraft bei gleicher Druckkraft. Die Erhöhung der Steifigkeit der Feder, wenn der Fahrer schneller wird, hat den gleichen Effekt wie das Hochschalten eines Gangs am Fahrrad, wenn der Fahrer schneller fährt“, erklärt Braun. Es ermöglicht dem Fahrer, mehr Energie zu liefern und die biomechanische Einschränkung zu umgehen, bei der Energie nur während der kurzen Bodenkontaktzeit des schnellen Laufens geliefert wird.

Spitzengeschwindigkeit von 20 Metern pro Sekunde

Nach seinen Berechnungen kann man mit einem solchen Gerät theoretisch 96 % der Zeit die Beine benutzen und eine Geschwindigkeit von 20 Metern pro Sekunde erreichen, „was mit der Höchstgeschwindigkeit beim Radfahren vergleichbar ist“, sagt David Braun. Ein praktischeres Gerät, das etwa 60 Prozent der Schrittzeit abdeckt, konnte bereits 18 Meter pro Sekunde erreichen, 50 Prozent schneller als der Weltrekord von 12 Metern pro Sekunde im 100-Meter-Sprint, so der Forscher. Und das ohne eine schwere Batterie oder einen Elektromotor.

All dies befindet sich noch im rein theoretischen Stadium. Aber diese leichtere Antriebstechnik könnte die Grenzen der menschlichen Leistungsfähigkeit und die Gesetze des Sports verschieben, schlägt David Braun vor. Im Jahr 2012 löste der behinderte südafrikanische Läufer Oscar Pistorius mit seinen spachtelförmigen Prothesen, die neben nichtbehinderten Sportlern ausgestellt wurden, eine Debatte aus. David Braun sieht die Schaffung einer neuen olympischen Disziplin. Immerhin haben wir Eislauf- und Bahnradrennen“, sagt er.

Urhebender Autor: Céline Deluzarche