LONDON (IT BOLTWISE) – Die Herausforderungen der Raumfahrt erfordern innovative Lösungen, um die Gesundheit von Astronauten zu schützen. Neue tragbare Technologien könnten eine entscheidende Rolle spielen, indem sie kontinuierliche Belastung und Schutz bieten. Diese Entwicklungen könnten nicht nur die Raumfahrt revolutionieren, sondern auch Anwendungen auf der Erde finden.
Die Raumfahrt stellt den menschlichen Körper vor einzigartige Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf die Anpassung an die Schwerelosigkeit. Professor Farina erklärt, dass das menschliche muskuloskelettale System unter der Schwerkraft der Erde entwickelt wurde, was in der Mikrogravitation des Weltraums zu einer schnellen Atrophie der Antischwerkraftmuskeln wie des Soleus und des Quadrizeps führt. Zudem verlieren gewichttragende Knochen monatlich 1-2% an Dichte. Trotz täglicher zweistündiger Übungen auf der ISS können Astronauten bis zu 16% ihrer Muskelmasse bei kurzen Missionen verlieren, und die vollständige Knochenerholung dauert nach der Rückkehr zwei bis drei Jahre.
Die derzeitigen Gegenmaßnahmen, wie das Advanced Resistive Exercise Device (ARED) und Laufbänder wie COLBERT, haben zwar geholfen, sind jedoch ressourcenintensiv. Diese Geräte wiegen Hunderte von Kilogramm, benötigen speziellen Raum und haben sogar Verletzungen verursacht, wie Schulter- und Rückenbelastungen. Professor Burdet betont die Notwendigkeit eines Paradigmenwechsels: Anstatt eines separaten Fitnessstudios könnte eine tragbare ‘zweite Haut’ kontinuierliche, adaptive Belastung während der täglichen Aktivitäten eines Astronauten bieten und jede Bewegung in eine therapeutische Übung verwandeln.
Verschiedene aufkommende tragbare Technologien werden hervorgehoben. Passive Anzüge wie der Gravity Loading Countermeasure Skinsuit (GLCS) und sein Vorgänger Pingvin verwenden elastische Gewebe, um die Gravitationskraft zu simulieren und die Wirbelsäulenverlängerung sowie Rückenschmerzen zu reduzieren. Neuere aktive Systeme, wie der Variable Vector Countermeasure Suit (V2Suit), integrieren Inertialmesseinheiten und Kontrollmomentgyroskope, um dynamischen Widerstand zu bieten. Die X1-Exoskelett von NASA und Robo-Glove, entwickelt mit GM, stellen frühe Schritte in Richtung motorisierte Unterstützung dar, während weiche Exosuits aus Textilien, die von Kabeln oder pneumatischen künstlichen Muskeln angetrieben werden, eine unauffällige, hoch tragbare Alternative bieten.
Weiche Exoskelette sind besonders vielversprechend für den Weltraum, da sie leicht, transparent und energieeffizient sind, bemerkt Dr. Kassanos. In der Mikrogravitation müssen Aktuatoren nicht mehr gegen die Schwerkraft kämpfen, sodass selbst bescheidene Kräfte bedeutenden Widerstand bieten können. Dies durchbricht den Teufelskreis schwerer Aktuatoren, die große Batterien erfordern, was zusätzliches Gewicht hinzufügt. Die Überprüfung vergleicht Antriebsprinzipien – von Gleichstrommotoren und elastischen Serienaktoren bis hin zu Formgedächtnislegierungen, dielektrischen Elastomeren und HASEL-Aktuatoren – und bewertet ihre Eignung für Weltraumumgebungen, in denen Strahlung, extreme Temperaturen und Vakuum strenge Zuverlässigkeitsanforderungen stellen.
Ebenso wichtig sind tragbare Sensoren. Die Autoren beschreiben textilintegrierte Dehnungssensoren (unter Verwendung von Flüssigmetall- oder kohlenstoffbasierten Verbundwerkstoffen), hochdichte Elektromyographie-Ärmel und sogar flexible Transistorarrays, die die Interaktionskräfte zwischen Anzug und Körper, Muskelermüdung, Hautfeuchtigkeit und frühe Anzeichen von Verletzungen überwachen können. Ein intelligenter Anzug könnte erkennen, dass ein Schultergelenk abnormalen Druck vom Raumanzug-Oberkörper erfährt, dann seine eigene Steifigkeit anpassen oder den Astronauten warnen, bevor eine Verletzung entsteht. Kombiniert mit Gehirn-Computer-Schnittstellen und Augenverfolgung zur Absichtserkennung könnten solche Systeme eine intuitive, geschlossene Steuerung der Exoskelettunterstützung ermöglichen.
Dennoch bleiben formidable Herausforderungen bestehen. Strahlung kann Elektronik und Sensoren abbauen, was strahlungshärtende Komponenten erfordert, die noch nicht für tragbare Geräte miniaturisiert sind. Mikrogravitation verändert, wie Inertialsensoren die Orientierung schätzen, was neuartige driftresistente Algorithmen erfordert. Und wie die GLCS-Erfahrung zeigte, muss jedes tragbare Gerät bequem, einfach anzuziehen und abzunehmen sowie psychologisch akzeptabel sein – andernfalls werden Astronauten es ablehnen. Benutzerzentriertes Design ist keine Nachgedanke; es ist eine Kernanforderung, betont Varghese.
Die Autoren fordern einen integrierten, multidisziplinären Ansatz, der fortschrittliche Materialien (z.B. Bornitrid-Nanoröhren für Strahlenschutz, ultradünne Strahlungskühlungsschnittstellen für das Wärmemanagement), neuromuskuloskelettale digitale Zwillinge und KI-gesteuerte adaptive Controller kombiniert. Wir stellen uns eine Zukunft vor, in der die täglichen Bewegungen eines Astronauten – Greifen, Gehen, sogar Schlafen – kontinuierlich optimiert werden, um Muskeln und Knochen zu erhalten, sagt Professor Farina. Und dieselben Technologien, die Tiefenraummissionen ermöglichen, werden auch die Rehabilitation für alternde Bevölkerungen und Menschen mit muskuloskelettalen Störungen hier auf der Erde transformieren.
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