von Andrea Fink, Deutsches Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, DFKI
Feinmotorische Aufgaben unter Weltraumbedingungen sind besonders anspruchsvoll und müssen zunächst auf der Erde trainiert werden. Wissenschaftler des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz (DFKI) und der Universität Duisburg-Essen (UDE) untersuchen, ob sich ein robotisches Exoskelett, das Schwerelosigkeit simulieren kann, für das astronautische Training eignet.
Das Team hatte die Möglichkeit, an der 42. DLR-Parabelflugkampagne im französischen Bordeaux teilzunehmen, um die Effekte der simulierten Schwerelosigkeit mit denen der echten Schwerelosigkeit zu vergleichen.
Bei Weltraummissionen stehen Astronauten häufig vor feinmotorischen Aufgaben, wie etwa der Durchführung von Reparaturen oder Experimenten, die durch die Schwerelosigkeit im Weltall erschwert werden. Ein gezieltes Training dieser Fähigkeiten ist besonders wichtig, nicht nur um die Effizienz der Missionen zu steigern, sondern auch um die Sicherheit der Astronauten zu gewährleisten. Bisher konnten derartige Missionen auf der Erde nur bei Parabelflügen oder im Raumanzug unter Wasser geübt werden.
Innovatives Weltraumtraining mit Exoskelett
Wissenschaftler des DFKI Robotics Innovation Center Bremen und des Lehrstuhls für Medizintechnische Systeme der Universität Duisburg-Essen (UDE) arbeiten an einer alternativen und kostengünstigeren Trainingsmethode.
Im Projekt NoGravEx haben sie einen innovativen Ansatz entwickelt, um Mikrogravitation mit Hilfe eines robotischen Exoskeletts zu simulieren. Die Technologie ist in der Lage, das Gewicht der Arme einer Person zu erkennen und auszugleichen, sodass sich diese schwerelos oder so schwer wie zum Beispiel auf dem Mond fühlt.
Welche Auswirkungen simulierte Schwerelosigkeit im Vergleich zur realen Schwerelosigkeit auf den menschlichen Körper hat, untersuchen die Forscher aktuell im Projekt GraviMoKo. Mit ihrer Teilnahme an der 42. DLR-Parabelflugkampagne vom 27. Mai bis 6. Juni 2024 im französischen Bordeaux haben sie nun einen wichtigen Meilenstein im Projekt erreicht.
Bei den Parabelflügen wird durch spezielle Steig- und Sinkflugmanöver 31-mal für jeweils etwa 22 Sekunden Schwerelosigkeit erzeugt. Diese Zeit steht den wissenschaftlichen Teams für ihre Experimente zur Verfügung. Statt der geplanten drei Flüge an drei Tagen startete der Airbus A310 Zero G von Novespace viermal, weil der erste Flug aufgrund technischer Probleme bereits nach 16 Parabeln abgebrochen werden musste. Die restlichen Parabeln wurden am zweiten Tag absolviert.
Versuchsaufbau und Durchführung
Das Exoskelett-Experiment war eines von elf ausgewählten Experimenten an Bord des Flugzeugs und umfasste die Teilnahme von sechs Testpersonen. Um das Fehlen einiger Probanden zu kompensieren, hatten sich im Vorfeld allerdings weitere Personen auf die Mission vorbereitet.
Die Aufgabe der Versuchspersonen bestand darin, in der Schwerelosigkeit mit dem Zeigefinger des rechten Arms die Mitte einer Zielscheibe auf einem Touchscreen zu treffen. Der Arm wurde dabei durch einen Umhang umhüllt, um optische Bewegungskorrekturen zu vermeiden. Während des Experiments wurden Armmuskelaktivität, Gehirnaktivität und Herzfrequenzvariabilität der Versuchspersonen sowie deren Bewegungstrajektorien aufgezeichnet.
Die Hälfte der Probanden hatte diese Aufgabe bereits im Labor mit einem aktiven Exoskelett in simulierter Schwerelosigkeit geübt, die anderen waren untrainiert oder nur mit dem Versuchsaufbau vertraut. Im Gegensatz zu den terrestrischen Tests wurden bei den Parabelflügen passive Systeme eingesetzt. Zwei identische Versuchsaufbauten ermöglichten die gleichzeitige Teilnahme von zwei Probanden pro Flug.
Eine mit sämtlichen Sensoren ausgestattete Ersatzperson stand bereit, um bei Unwohlsein der Probanden einzuspringen und ansonsten als Bediener und Unterstützer zu fungieren.
Die Experimente verliefen weitgehend nach Plan, lediglich ein Versuchsteilnehmer musste wegen Übelkeit ausgewechselt werden. Am Ende der zehntägigen Kampagne waren die Forscher mit den Ergebnissen sehr zufrieden.
Projektleiterin Prof. Dr. Elsa Kirchner, Universität Duisburg-Essen/DFKI, sagt: „Wir haben bei unserer ersten Parabelflugkampagne tolle Arbeit geleistet und alle geplanten Daten gesammelt. Trotz der Anstrengung und des Schlafmangels hat das Team hervorragend zusammengearbeitet. Jetzt geht es an die Auswertung der sehr umfangreichen Daten.“
Datenanalyse und potenzielle Anwendungen
Durch die Analyse der Daten wollen die Forscher herausfinden, ob das Training mit dem Exoskelett in simulierter Schwerelosigkeit den Transfer erlernter Fähigkeiten in die reale Schwerelosigkeit ermöglicht und die Fähigkeiten der Astronauten verbessert. Dies könnte dazu beitragen, Astronauten auf die Herausforderungen zukünftiger Weltraummissionen vorzubereiten und ihre Leistungsfähigkeit unter den extremen Bedingungen des Weltalls zu optimieren.
Neben der Raumfahrt können auch terrestrische Anwendungen wie die Rehabilitation von der neuen Technologie profitieren. Das in den Projekten NoGravEx und GraviMoKo eingesetzte und weiterentwickelte Exoskelett wurde ursprünglich am DFKI für die Rehabilitationstherapie entwickelt.
Durch die Möglichkeit zur individuellen Gewichtskompensation kann das System körperlich eingeschränkte Menschen, zum Beispiel nach einem Schlaganfall, noch individueller unterstützen.
Zur Verfügung gestellt vom Deutschen Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz GmbH, DFKI