Unterwasser-Exoskelett reduziert Sauerstoffverbrauch beim Tauchen
Ein Unterwasserexoskelett kann die Muskelbelastung so weit reduzieren, dass der Taucher weniger Sauerstoff benötigt und Tauchflaschen länger halten.
(Bild: Peking University)
Ein Forschungsteam der Peking University (PU) hat ein Exoskelett für Taucher entwickelt, das die Flossenschläge unterstützt und den Tauchvorgang vereinfacht. Durch die geringere Muskelbelastung soll das System auch den Sauerstoffverbrauch der Taucher senken und somit bei gleichem Sauerstoffvolumen der Tauchflasche für längere Tauchzeiten sorgen.
Beim Tauchen werden die Beine mit den größten Muskelgruppen des Körpers stark beansprucht. Entsprechend wird viel Sauerstoff benötigt. Der kommt beim Tauchen aus den Sauerstoffflaschen, die in Abhängigkeit von beispielsweise Volumen, Betriebsdruck, Tauchtiefe, der Tauchergröße und der körperlichen Anstrengung unterschiedlich lange halten. Pro Minute benötigt ein Taucher je nach Erfahrung etwa 10 bis 25 Liter der komprimierten Druckluft. Etwa 21 Prozent davon sind Sauerstoff. Eine 10-Liter-Flasche würde bei einem Betriebsdruck von 200 bar bei einer maximalen Tauchtiefe von 20 m etwa 40 Minuten lang Atemluft abgeben können.
Die chinesischen Forscher beabsichtigten, die Tauchzeit bei gleichem Flaschenvolumen zu verlängern, wie sie in der Studie "An Underwater Exoskeleton for Scuba Diving: Reducing Air Consumption and Muscle Activation Through Knee Assistance" (PDF) schreiben, die in IEEE Transactions on Robotics erschienen ist. Sie gehen dabei dem Ansatz nach, den Sauerstoffbedarf des Tauchers zu reduzieren, indem sie die Aktivitäten der stark sauerstoffverbrauchenden Muskeln durch ein Exoskelett verringern.
UnterstĂĽtzung in bestimmten Phasen
Das von den Wissenschaftlern entwickelte Exoskelett benutzt zwei Elektromotoren, die auf dem RĂĽcken des Tauchers wasserdicht untergebracht sind. Sie bewegen Zugseile, die mit Manschetten an den Ober- und Unterschenkeln des Tauchers angebracht sind und so die Flossenbewegungen unterstĂĽtzen. Zur Stabilisierung des gesamten Systems dient ein HĂĽftgurt. Insgesamt kommt das Unterwasser-Exoskelett auf ein Gewicht von 9 kg. Das meiste Gewicht liegt dabei auf dem RĂĽcken des Tauchers.
Die Beinposition wird über Inertial Measurement Units (IMU) bestimmt, sodass die Beinbewegungen nur in bestimmten Positionen und bei Bedarf unterstützt werden. So wird etwa der Motor über eine Kupplung während des Abwärts-Flossenschlags zugeschaltet. Bei Aufwärtshub ist der Motor entkoppelt und bietet keine Unterstützung, um die Erholungsbewegung des Tauchers nicht negativ zu beeinflussen. Zuvor hatten die Forscher die Bewegungen von Tauchern analysiert und darüber die optimalen Unterstützungsphasen herausgefunden.
Das Exoskelett testeten die Wissenschaftler mit insgesamt sechs zertifizierten Tauchern in einem Schwimmbecken mit einer Länge von 50 m in 2 m Tiefe. Dabei mussten sie dreimal eine Strecke von 100 m mit Flossenschlägen tauchen – jeweils mit und ohne eingeschaltetes Exoskelett. Bei aktiviertem Exoskelett reduzierte sich die Aktivität im Quadrizeps und der Wadenmuskulatur um mehr als 20 Prozent, die Sauerstoffaufnahme ging um 22,7 Prozent zurück.
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Die Forscher sind der Ansicht, dass sich der Sauerstoffbedarf mit einem verbesserten Exoskelett noch weiter reduzieren lässt. Sie wollen ihre Studien deshalb ausweiten. Mithilfe numerischer Strömungsmechanik wollen sie den Wasserwiderstand, der auf den Taucher einwirkt, kartieren und untersuchen. Zusätzlich soll das Exoskelett unter realen Bedingungen im Freiwasser getestet und leichtere Materialien für das Exoskelett eingesetzt werden. Auch sollen weitere Sensoren neben der Sauerstoffmessung zusätzliche Messwerte ermitteln, wie etwa die Herzfrequenz des Tauchers.
(olb)
