TEIL C

MUSKELKRAFT

Rucksack und Laufschuhe (2)

Im September 2007 berichten die Fachblogs über einen weiteren Schuh-Stromgenerator, der die beim Laufen entstehende Bewegungsenergie umwandelt und zum Betrieb eines Displays oder eines GPS-Systems nutzt. Dabei handelt es sich allerdings um ein Kunstprojekt von Christian Croft und Kate Hartman für das Conflux Festival in Brooklyn, für welches sie die in Großbritannien gerade populären ,Heelys’ umbauen, jene bei Kindern sehr beliebten Schuhe, in deren Ferse eine Rolle eingebaut ist.

Bei ihrem Energy Harvesting Dérive verbinden sie die Rolle mit einem Mikro-Stromgenerator, der einen Micro-Computer und ein LCD speist, die auf dem Schuh befestigt sind. Der Micro-Computer gibt dem Fußgänger zufällige Befehle, wie er laufen soll. Etwa alle 5 m erscheinen auf dem Display Pfeile und Texte nach dem Zufallsprinzip als neue Anweisungen, wohin der Schuhträger gehen soll.

Bei dem Kunstprojekt ist es aber nicht das Ziel, daß die Schuhe dem Träger den richtigen Weg weisen – er soll sogar im Gegenteil absichtlich von seinem bekannten Weg weggeführt werden und sich verlaufen, seine üblichen Pfade verlassen und urbane Hindernisse wie Mauern überwinden oder sich durch dichten Verkehr kämpfen, auch wenn dies ausweglos erscheint. Und dies alles mittels der selbst erzeugten Energie.

Interessanterweise bietet der Fuß-Spezialist Dr. Richard D. Koenig aus St. Louis ab 2007 einen quasi inversen Schuh für 60 $ an, der nicht aus Vibrationen Strom erzeugt – sondern mit Strom aufgeladen werden muß, um beim Gehen zusätzlich und gesundheitsfördernd zu vibrieren. Der Name des Schuhs ist Programm: Good vibrations...!

Im Oktober 2008 stellt auch der japanische Telekomriese NTT den Prototypen einer Sandale vor, die beim Gehen genug Elektrizität erzeugt um beispielsweise einen iPod am Laufen zu halten.

In die Sohle ist ein flüssigkeitsgefülltes Kissen mit einer Miniaturturbine integriert, so daß sich das Wasser bei jedem Schritt bewegt und die Turbine in Drehung versetzt. Der aktuelle Prototyp sieht allerdings noch sehr improvisiert aus.

Die marktreife Sandale soll später einmal 1,2 W erzeugen, doch das Unternehmen ist bemüht, die Kapazität des E-Schuhs auf 3 W zu erhöhen. Bereits im Jahr 2010 will NTT dann damit beginnen, den Stromschuh in Serie zu produzieren.

Tatsächlich werden die anvisierten 1,2 W bis 2011 erreicht, was aber trotzdem noch stark optimierbar wäre, denn die Energie, die der Mensch bei einem Schritt nach vorne erzeugt, und die letztlich als Wärme verloren geht, beträgt ca. 20 W. Davon, daß die Schuhe als Produkte angeboten werden, ist bisher aber nichts zu bemerken (Stand 2015).

Interessant zu erwähnen ist an dieser Stelle auch die Erfindung ,Warming Waves’, die 2007 mit dem Preis der Quelle InnovationsInitiative ausgezeichnet wird. Sie stammt von den beiden Hamburgern Christian Wiedemann und Michael Dehn, die zur Vermarktung ihrer Innovationen bereits 2005 die Firma IQTEX GmbH gründet hatten.

Die international patentierten IQ WAVES Schuheinlagen erzeugen durch die Umwandlung menschlicher Bewegungskraft Wärme und kommen völlig ohne Batterien oder chemische Zusätze aus. Dabei ist die Beheizung der Schuhe regelbar, so daß ein unkontrolliertes Überhitzen von Schuhen und Füßen unmöglich ist. Ein weiterer Vorteil sind die guten Dämpfungseigenschaften, die ebenfalls auf die neu entwickelten Materialien zurückzuführen sind.

Das neuartige Schuhklimatisierungssystem funktioniert nach dem Prinzip, daß Reibung Wärme erzeugt. Hier geschieht dies über zwei ineinandergreifende Lammellenreihen aus Kunststoff, die in der Sohle eingebaut sind. Beim Gehen reiben sich die Lamellen aneinander und erzeugen so ausreichend Wärme, um auch bei Minusgraden warme Füße zu behalten. Die Schuhheizung wird von mehren unabhängigen Prüfinstituten getestet. Diese stellen fest, daß die Temperatur beim Laufen um zehn Grad erhöht wird.

Bisher gibt es die wärmenden Einlegsohlen nur als Versuchsreihe. Die prämierte und patentierte Erfindung soll aber noch in diesem Jahr in Serie gefertigt und von Quelle verkauft werden (was nach dem Konkurs des Versenders allerdings ziemlich fraglich erscheint).

Der Viber Burst des Designers Josh Pell von der Swinburne University, mit der sich dieser im Jahr 2008 am Australischen James Dyson Design-Wettbewerb beteiligt‚ ist ein innovatives Energie-erntendes System in Form einer kleinen Kapsel, die an der Kleidung getragen oder an den Schuhen befestigt wird und die menschliche Bewegungsenergie in Strom umwandelt.

Besonders interessant ist dabei die Idee, die gesamte angespeicherte Energie anschließend mit einem einzigen, weniger als 2 Sekunden dauernden, sogenannten ‚Burst-Dump’ in die Batterie des Mobiltelefons zu transferieren – woher auch der Name dieses Entwurfes stammt. Mit welcher Technologie dies im Detail geschehen soll, wird allerdings nicht verraten.

Die argentinische Designerin Lola Mensa stellt im August 2009 und in Zusammenarbeit mit Nike das Designkonzept einer stromerzeugenden Schuheinlage vor.

Das Zubehör für Turnschuhe besteht aus einer schmalen Plastikmatte, die zwischen Schnürsenkel und Schuhzunge gesteckt wird. Die integrierten winzigen Generatoren erzeugen bei jeder Biegung der Matte Strom, der in einen Akku geladen wird. Über einen Mini-USB-Buchse können dann angeschlossene Kleingeräte versorgt werden.

Ein weiterer Energieschuh-Entwurf stammt vom September 2009 und geht auf die koreanischen Designer In-sung Yoo und Hee-jung Hong zurück.

Der ausgesprochen durchdacht wirkende Entwurf namens EcoSTEP wird als ein umweltfreundliches Produkt bezeichnet, das als selbst energieerzeugendes System eine Vielzahl von Technologien vereint, darunter eine flexible piezoelektrische Nano-Technologie.

Die generierte elektrische Leistung wird in einer entnehmbaren Multifunktions-Batterie gespeichert, die in einem Einschubfach im Kern der Schuhe plaziert wird.

Die Designer empfehlen die Verwendung der Schuhe, falls sie denn das Produktstadium erreichen, nicht nur, weil sie gut für die Gesundheit sind, sondern weil ihr Gebrauch auch die Nutzung von Verkehrsmitteln wie Autos und Bussen vermindert, welche eine Kontamination der Umwelt verursachen.

Im Januar 2010 stellen Forscher der Princeton University um den Ingenieur Michael McAlpine ein flexibles piezoelektrisches Material vor, das mechanische Energie zu 80 % in elektrische Energie umwandelt. Dabei handelt es sich um ein gummiartiges Sandwich aus Silikon und dem piezoelektrischen Material Blei-Zirkon-Titanat (PZT), mit dem am MIT bereits seit 2003 gearbeitet wird und das seit längerem als das effektivste piezoelektrische Material bekannt ist.

Neben dem Wirkungsgrad der neuen Silikon-PZT-Mischung, der vier Mal höher liegt als bei bisherigen flexiblen piezoelektrischen Materialien, könnte sich die hohe Verformbarkeit als der entscheidende Faktor erweisen, um der Technologie zum Durchbruch zu verhelfen. Denn einerseits fanden die Soldaten des US-Militärs, die steife piezoelektrische Stoffe in Schuhsohlen getestet haben, diese als ziemlich schmerzhaft, während andererseits flexible Materialien wie piezoelektrische Polymere, Nanodrähte oder Kristalle nicht sehr viel mechanische Energie in Strom umsetzen können.

Für die neue Methode, das PZT durch einen Druckvorgang erst nachträglich auf das Silikon aufzubringen, wird ein Patent angemeldet. Aufgrund der hohen Temperaturen, welche das Aufwachsen der kristallinen PZT-Struktur erfordert, würden die flexiblen Trägermaterialien sonst nämlich schmelzen. McAlpine schweben derweil vor allem biomedizinische Anwendungen vor, so könnte beispielsweise ein im Brustkorb implantiertes Silion-PZT-Band mit jedem Atemzug die Batterie eines Herzschrittmachers nachladen. Daß das PZT selbst wegen seines Bleigehalts nicht bioverträglich ist, bildet kein Problem, da das Material vollständig in Silikon verkapselt wird. Die nächsten Tests will die Princeton-Gruppe nun an Schuhen vornehmen, wie es heißt.

Auch Ville Kaajakari, Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der Louisiana Tech University, entwickelt eine Technologie, die Strom aus einem kleinen Piezo-Generator erzeugt, der den Stoßdämpfer in der Ferse des Schuhs ersetzt. In den ebenfalls im Januar 2010 veröffentlichten Berichten ist von einer Regelschaltung die Rede, welche die beim Gehen gewonnene piezoelektrische Ladung für die Stromversorgung von Elektrogeräten oder das Aufladen von Akkus aufbereitet und eine konstante 3 V Ausgabe erreicht. Der Umwandlungseffizienz liegt derzeit bei rund 70 %.

Als Schlüssel zum Erfolg gilt die flexible Beschaffenheit des Generators, der aus weichen und gleichzeitig robusten Polymeren mit Metalloberflächen besteht und problemlos in den Schuh integriert werden kann. Außerdem sollen die Produktions- und Materialkosten des neuartigen Generators recht gering sein.

Im Mai 2010 folgt ein zwar nicht unintelligenter, aber doch etwas gewöhnungsbedürftiger Vorschlag des Designers Boyoung Joo Park, der eine Leuchtsocke präsentiert, die ihren Strom aus der kinetischen Energie der Laufbewegung bezieht.

Die Private Light genannten Socken sollen für Licht auf allen nächtlichen Wegen sorgen – werden in den Kommentaren aber gnadenlos als Spinnerei heruntergemacht. Technische Details sind nicht zu erfahren, eine Umsetzung erfolgte m.W. bislang auch nicht.

Der argentinische Industriedesigner Soledad Martin wiederum wird von den sich ständig bewegenden Füße der Skateboarder zu einem innovativen und einfachen Energieerzeuger inspiriert. Sein im Juli 2010 vorgestelltes sehr anpassungsfähiges Nanogenerator-System läßt sich fest am Schuh befestigen und die gewonnene Energie wird zur späteren Verwendendung in einer Batterie gespeichert.

Der Vorteil der Plazierung des Generators auf Schuhen liegt darin, daß der Bewegungsbereich der Füße viel größer ist als der jeden anderen Teils des Körpers. Je mehr Gedränge und zufällige Bewegungen, desto mehr Strom steht anschließend an dem eingebauten USB-Anschluß zur Verfügung, um beliebige tragbare elektronische Geräte aufzuladen. Eine weitere gute Option soll die Befestigung des Gerätes am Halsband eines Hund sein.

Wie im August 2011 bekannt wird, arbeitet ein Forschungsteam um Prof. Thomas ,Tom’ Nikita Krupenkin und J. Ashley Taylor von der University of Wisconsin Madison an einem stromerzeugenden Schuh, der mit einem speziellen Substrat befüllt ist. Dieses besteht aus einer leitfähigen viskosen Flüssigkeit, die aus winzigen Metall-Mikrotröpfchen hergestellt ist. Jedes Mal, wenn auf die Schuhsohle Druck ausgeübt wird, bewegen sich diese Tröpfchen durch das Substrat und erzeugen Strom – aufgrund eines bisher unbekannten Naturphänomens namens umgekehrte Elektrobenetzung (Reverse Electro-Wetting).

Mit Elektrobenetzung wird das physikalische Phänomen bezeichnet, bei dem ein elektrisches Feld durch Veränderung der Oberflächenspannung einer Flüssigkeit (Elektrokapillarität) dazu führt, daß die Flüssigkeit einen Gegenstand stärker benetzt.

Bei der umgekehrten Anwendung liegen die Tröpfchen der leitfähigen Flüssigkeit zwischen zwei Schichten eines speziell strukturierten Dünnfilms, bei dem bestimmte Bereiche leitend sind und als Kontaktfläche dienen. Bei mechanischem Druck oder Vibration bewegen sich die Tröpfchen und ihre Überlappung mit der Kontaktfläche verändert sich. Wird sie kleiner, fließt ein Teil der normalerweise zwischen Dünnschicht und Tropfen gehaltenen elektrischen Spannung über einen elektrischen Leiter ab. Und je höher die Anzahl der aneinandergereihten Tröpfchen ist, desto höher ist die Stromausbeute.

Mit der neuen Technologie, deren anfängliche Entwicklung durch einen Zuschuß der National Science Foundation (NFS) finanziert wurde, soll sich eine Leistung von bis zu 1.000 W/m² erzielen lassen, wobei  das vielseitig einsetzbare Verfahren sowohl auf Vibration als auch auf Druck reagiert. Berechnungen zufolge soll ein in die Schuhsohlen integriertes System mit rund 1.000 Tröpfchen einen Ertrag von bis zu 10 W pro Fuß liefern, der zum Betreiben von elektrischen Geräten genutzt werden kann.

Obwohl noch keine Marktreife erreicht worden ist, wird zur späteren Vermarktung schon jetzt die Firma InStep NanoPower LLC gegründet, die im März 2011 auch ein entsprechendes Patent erhält (US-Nr. 7.898.096, beantragt 2007). Außerdem denken die Entwickler an einen induktiven Kopplungsmechanismus, der direkt in Kleidungsstücke eingebettet werden soll. Tatsächlich sind nach den umfangreichen Meldungen Mitte 2011 jedoch keinerlei weitere Schritte auszumachen.

Danach ist erst im Februar 2016 wieder etwas von dem InStep NanoPower-Energieschuh zu hören, als ein neuer Aufbau der eingesetzten Technologie vorgestellt wird. Herzstück ist der Bubbler (von Bubble = Blase), zu dessen Hauptbestandteilen zwei flache Platten gehören, zwischen denen die leitfähige Flüssigkeit untergebracht wird. Die untere Platte ist mit winzigen Löchern versehen. Hier wird in den Zwischenraum mittels Druck Gas befördert, welches wiederum für Blasen sorgt.

Die Blasen werden immer größer, bis sie mit der oberen Platte in Kontakt kommen und platzen. Das Entstehen der Blasen und das Zerplatzen erfolgt in einer ziemlich hohen Frequenz. Dadurch wird die leitende Flüssigkeit hin- und hergespült und produziert in der Folge elektrische Energie. Die hohe Frequenz, die für die effiziente Gewinnung von elektrischer Energie nötig ist, stammt dabei nicht unmittelbar von der mechanischen Energiequelle, sondern ist vielmehr eine ‚interne Komponente‘ des Bubbler-Efekts. Dadurch gelingt es aber, während des Laufens viel mehr elektrische Energie aus dem bloßen Auftreten zu gewinnen, als dies bisherige Erzeugnisse schafften.

Die neuen Energiesohlen liefern laut den Entwicklern 10 V und eine Stromstärke von 1,5 A, was der Leistung guter USB-Ladegeräte entspricht. Das aktuelle Proof-of-Concept-Gerät erzeugt in ersten Experimenten etwa 10 W/m². Theoretischen Schätzungen zufolge könnten aber bis zu 10 kW möglich sein. Und um das über dem Schuh baumelnde USB-Kabel zu eliminieren, denken die Forscher an eine drahtlose Energieübertragung per Induktion, Ultraschall oder einer anderen Technik. Die bisherigen Ergebnisse werden in einem im Netz einsehbaren Artikel mit dem Titel ‚Bubbler: A Novel Ultra-High Power Density Energy Harvesting Method Based on Reverse Electrowetting‘ veröffentlicht. Für die Vermarktung der Technologie wird nun nach Industriepartnern gesucht, außerdem ist man zusammen mit der Firma Vibram dabei, einen Demonstrationsschuh zu entwickeln.

Im Dezember 2011 folgen dafür Berichte über einen gemeinsamen Versuch der West Point Militärakademie in New York, dem U.S. Army Natick Soldier Research, Development and Engineering Center und der Firma SpringActive Inc. aus Tempe, Arizona, zur Prüfung eines biomechanischen Energiewandlers, der am Stiefel eines Soldaten angebracht wird.

Das sich noch in Entwicklung befindliche und Soldier Power Regeneration Kit (SpaRK) genannte System soll unter Verwendung von Federn Energie für Batterien ernten, solange der Soldat zu Fuß unterwegs ist. Im Idealfall kann das 1,5 kg schwere Gerät die Menge an Batterien reduzieren, die von einem Soldaten mitgeführt werden muß.

In weiteren Entwicklungsschritten soll das Gewicht des SpaRK reduziert und das System für den Einzelnen leichter anpaßbar gemacht werden. Gegenwärtig werden pro Schritt 3 - 6 W erzielt, während mit Kniebeugen sogar 15 W erzeugt werden können.

Daß die Technologie der Schuhe-Stromerzeugung inzwischen zunehmend Interesse findet, belegen zwei Meldungen vom April und Mai 2012. So stellt der 11-jährige Fünftklässler Ryan Gramp an der Hopewell Crest Elementary School in Bridgeton, New Jersey, mit Hilfe des schulischen Begabtenprogramms Schuhe her, die genau das tun.

Das Design der iShoe genannten Erfindung ist nicht allzu kompliziert. Die Fußbekleidung besitzt einen Einschub mit Mikrofedern im Absatz, welche die kinetische Energie umwandeln und ein abnehmbares Akku-Pack im Inneren aufladen, sobald man sich bewegt. Zehn Minuten zu Fuß in diesen Schuhen sollen ausreichen, um das Handy für eine Betriebszeit von einer Stunde aufzuladen.

Und bei der allerersten kenianischen Woche der Wissenschaft, Technologie und Innovation zeigt der 24-jährige Erfinder Anthony Mutua ebenfalls eine Technologie, um das Handy oder andere Geräte durch die Schuhe aufladen zu lassen, während man herumläuft. Dabei soll ein sehr dünner ,Kristall-Chip’ in einem Sneaker jedes mal Energie erzeugen, wenn er gebogen wird.

Bislang hat der Nationale Rat für Wissenschaft und Technologie in Kenia das Projekt mit 6.000 $ finanziert und Mutua die Technologie auch patentiert. Nun gibt es Pläne, den Chip bald in Serie zu produzieren und zu einem Preis von 46 $ in den Handel zu bringen - einschließlich einer 2,5-Jahres-Garantie.

Ebenfalls in Kürze will das im Mai 2011 gegründete und in Boston beheimatete Start-up Energy Harvesters LLC eine patentierte mobile Energiequelle namens Walking Charger vermarkten, ein kleines Gerät, das in OEM-Marken-Schuhe eingebettet werden soll. Die ersten 100.000 $ bekommt die Firma als Seed-Finanzierung von dem Investor Dyco Electronics.

Als Märkte nennt das Unternehmen im September 2012 die Endverbraucher sowie die Bereiche Arbeitsstiefel, Freizeitboots und militärische Anwendungen, wo die erste Produkteinführung erfolgen soll. Die Energie des hier abgebildeten 9. Prototypen eines Militär-Stiefels wird verwendet, um eine Gruppe aus zwölf LEDs zum Leuchten zu bringen.

Bei einer normalen Schrittgeschwindigkeit von 5 km/h soll die Ausgangsleistung rund 1 W betragen, wobei Spitzen bis zu 2,4 W erreichbar sind. Damit sei eine volle Batterieladung innerhalb einer Stunde zu schaffen.

Auch eine Gruppe von Maschinenbau-Studenten der Rice University, die sich selbstbewußt ,Agitation Squad’ nennt, arbeitet im Rahmen ihres Abschlußprojektes an mechanisch funktionierenden Energieerzeugungs-Schuhen.

Ihr im Mai 2013 vorgestelltes Modell PediPower wirkt zwar noch ein wenig schwerfällig, ist aber bereits in der Lage, einen Durchschnitt von 400 mW zu liefern, um einen am Gürtel montierten Akku zu laden. Welche Technik im Einzelnen eingesetzt wird, wird allerdings nicht gesagt, und die Weiterentwicklung einer nachfolgenden Absolventengruppe anempfohlen – was bislang augenscheinlich aber nicht umgesetzt worden ist.

Weit ernsthafter geht eine Gruppe von Maschinenbauingenieuren an der Carnegie Mellon University die Sache an, die von ihrem Professor im Jahr 2011 gesagt bekommt, daß sie „ein Produkt entwickeln sollen, von dem Studenten auf dem Campus profitieren können.“

Das Ergebnis ist ein Energy-Harvesting-Schuh mit eingebetteten LEDs, so daß die Nutzer bei nächtlichen Spaziergängen mehr Sicherheit haben. Das mit A bewertete Produkt ist für zwei der Gruppenmitglieder gleichzeitig die Initialzündung, um ein neues Unternehmen zu gründen.

Matt Stanton und Hahna Alexander (die bereits im Rahmen des Lunar X-Prize bei SpaceX und der NASA gearbeitet und dort einen Energie-erntenden Roboter für den Einsatz im All entwickelt hat) sehen in dem von ihrer Gruppe konstruierten Prototyp ein größeres Potential und befassen sich damit, das Gerät stärker und schlanker zu machen und mit einem Speicher für die erzeugte Leistung zu versehen, der an einem Band um die Fesseln angebracht ist. Heraus kommt eine zum Patent angemeldete Einlage, in der sich piezoelektrische Kristalle befinden.

Mit der Unterstützung des Projekt Olympus zur Förderung von Innovation und Gründertum an der Carnegie sowie dem ,Startbeschleuniger’ AlphaLab sind die Genannten in der Lage, in Pittsburgh, Pennsylvania, im September 2012 ihre Firma Sole Power LLC aus der Taufe zu heben, um ihr Konzept zur Realität werden zu lassen.

Bei der Produkteinführung wird erwartet, daß die Schuheinlagen bei einer Schrittgeschwindigkeit von 5 km/h kontinutierlich 1 W liefern, womit eine Smartphone-Batterie in einer Stunde geladen werden kann. Als Spitzenleistung werden bis zu 2,4 W angegeben – was exakt den Spezifikationen des o.e. Walking Charger entspricht.

Eine im Juni 2013 gestartete Kickstarter-Kampagne mit einem Finanzierungsziel von 50.000 $ verläuft erfolgreich, obwohl man für ein Sohlenpaar 200 $ zuzüglich Versandkosten investieren muß. In 45 Tagen steuern 637 Unterstützer sogar 60.184 $ bei, was die Produktentwicklung finanziert und das Produkt näher an die Massenproduktion bringt, wobei die Auslieferung im Dezember 2014 erfolgen soll. Was bis Mitte 2015 aber noch immer nicht geschehen ist.

Im Jahr 2014 ist SolePower einer der Gewinner des Invention Award des Magazins Popular Science. Und in einer Seed-Finanzierungsrunde im September sammelt die Firma 100.000 $ ein.

Im November 2015 wird ein neues Video veröffentlicht. Demzufolge konzentriert sich die SolePower auch auf die Entwicklung von Sandalen mit der gleichen Technologie, die in Entwicklungsländern eingesetzt werden. Anstelle von Einlegesohlen und einem Akkupack ist das stromerzeugende Gerät in die Sandale selbst eingebaut.

Außerdem werden nicht mehr piezoelektrische oder andere als ineffizient betrachtete Methoden zur Stromerzeugung verwendet, sondern Komponenten, wie sie in handbetriebenen Taschenlampen zu finden sind, werden verkleinert. So wandelt ein Antriebsstrang die Energie der Fersenaufschläge in Rotationsenergie um und dreht dabei magnetische Rotoren, die in Drahtspulen einen elektrischen Strom induzieren, der in ein kleines Lithium-Ionen-Polymer-Akkupack fließt.

Im Dezember erhält das Unternehmen einen Zuschuß in Höhe von knapp 150.000 $ von der National Science Foundation (NSF).

Die nächste Meldung erfolgt im Februar 2017, als die SolePower die selbstbetriebenen SmartBoots auf den Markt bringt, als erste kommerzielle Anwendung für Soldaten, deren Technologie im Rahmen von Forschungs- und Entwicklungsverträgen mit der US Army und der NSF verfeinert wurde. Das Ladegerät in den hinteren Teil des auch als Arbeitsstiefel gedachten Schuhwerks kann LEDs und eine Reihe von Sensoren wie GPS für die Standortbestimmung und Beschleunigungssensoren für Bewegungen mit Strom versorgen.

Wird das System mit einer drahtlosen Verbindung in den Stiefel eingebaut wird, sammelt und liefert es Informationen über die Sicherheit, Produktivität und Effizienz der Träger. Die resultierenden Erkenntnisse und Echtzeitdaten können für Unternehmen, denen die Sicherheit ihrer Mitarbeiter am Herzen liegt, von großem Wert sein. Die SolePower wird noch in diesem Jahr Nutzertests und Pilotprojekte in den Bereichen Bau, Energie und Brandschutz durchführen.

Im April 2017 geht die Firma eine Partnersschaft mit der SR Max / Saf-Gard Safety Shoe Co. ein, um selbstaufladende intelligente Arbeitsschuhe zu entwickeln. Und im August 2018 erhält die SolePower in einer weiteren Seed-Finanzierungsrunde 150.000 $ von HATCHER+ und Quake Capital Partners, doch weitere Schritte werden nicht mehr gemeldet. Auch die FB-Einträge der Firma enden im September 2019 kommentarlos.

Im August 2012 berichtet die Presse, daß die Idee des Stroms aus der Schuhsohle nun auch in der arabischen Welt angekommen ist.

Beim Beobachten der vielen Menschen in seiner Heimatstadt Kerbela, einer den Schiiten heilige Pilgerstadt, kommt dem 30-jährigen irakischen Erfinder Baha al-Hasnawi die Idee, die Kraft der vielen Schritte zu nutzen – was nur naheliegend ist in einem Land, das immer noch über eine unzureichende Stromversorgung verfügt.

Auch al-Hasnawi baut sein Ladegerät für Handybatterien, das mit einem kleinen Kabel ausgestattet ist, kurzerhand in die Schuhsohle ein. Für den Bau verwendete der das, was ihm gerade zur Verfügung steht, in erster Linie ein Kinderspielzeug, dessen ausgebaute Spielzeugmechanik zum Minigerator wird, sowie eine ganz normale Handybatterie. Nun sucht er Partner für die industrielle Herstellung und den Vertrieb seines Ladegeräts.

Einen energieerzeugenden Laufschuh meldet auch ein Anvit Kalra-lall aus Roslyn, New York, unter dem Namen ,Power Generation Article of Apparel’ zum Patent an (US-Nr. 20130104425, eingereicht 2012).

Auf der Konferenz Computers and Information in Engineering im August 2013 in Portland, Oregon, stellen italienische Forscher der Università Politecnica delle Marche in Ancona und der Università degli Studi di Modena e Reggio nell’Emilia in Modena um Emanuele Frontoni das Konzept eines Smart Shoe vor, der auf der Integration von Polymeren und Keramik-Piezomaterialien durch Spritzgießen basiert.

Das höchst wissenschaftliche Projekt hat das Ziel, ein innovatives und einfach zu bedienendes Energy-Harvesting-Gerät für Allzweck-Schuhe zu entwickeln und herzustellen.

Die Ergebnisse der realen Lauftests, die an der ersten Reihe von Prototypen durchgeführt werden, fallen ermutigend aus, Ausfälle werden keine festgestellt. Den Wissenschaftlern ist allerdings klar, daß ihre piezoelektrischen Generatoren langfristigen Verschleiß, dynamische Kräfte, mögliche Feuchtigkeit, Abrieb und anderes überstehen müssen, was noch etlichen Test- und Engineering-Aufwand bedeutet, bevor das bisherige Stadium des reinen Machbarkeitsnachweises überschritten werden kann.

Daß sich selbst die größten Unternehmen mit Innovationen, die inzwischen gar nicht mal so neu sind, die Karten legen können, belegt ein Test im Mai 2014, als Marines der Experimental Forward Operating Base (ExFOB) im Camp Pendleton in Kalifornien Prototypen von Stiefeln ausprobieren, die beim Laufen etwas Strom zum Aufladen von Kleingeräten wie GPS und ähnlichem erzeugen.

Die von Lockheed Martin in Zusammenarbeit mit dem kanadischen Fußbekleidungshersteller STC Footwear entwickelten Kinetic Boots, in denen alle notwendigen Komponenten wie Stromerzeuger, Akkus und Netzkabel direkt integriert sind, wiegen nur knapp 60 g mehr als die Normalausführung und erzeugen pro Stück 1,5 W. Um ein iPhone 5 drei Mal aufzuladen reicht es somit, 60 Minuten lang herumzuwandern – entsprechend dem Motto ,These Boots Were Made for Charging’.

Der Test der Prototypen ist allerdings ein derartiger Reinfall, daß nun ganz von vorn begonnen werden muß – denn die Marines, die die Schuhe testen, finden sie zu unbequem, überdimensioniert und ein bisschen lächerlich. Was wirklich kein Wunder ist, wenn man sich die Klotten genauer anschaut.

In der darauf folgenden Meldung vom Juni 2014 geht es wieder einmal um einen 15-jährigen, der schon seit fünf Jahren stromerzeugende Schuhe entwickelt. Diesmal ist es Angelo Casimiro von den Philippinen, der damit an der diesjährigen Google Science Fair mitmacht.

Bei seinem Modell wird der Strom durch einen in die Sohle integrierten Generator erzeugt, der aus vier piezoelektrischen Scheiben besteht, die Energie produzieren, wenn der Kristall nach innen gebogen wird. Der Generator ist an den Akku einer Powerbank gelötet, an die per USB aufladbare Geräte angeschlossen werden können.

Zwar erreichen Casimiros Ladeschuhe keine besonders hohen Energieumsätze und es bedarf zwei Stunden Basketball, um ein Smartphone mit Strom für 10 Minuten zu versorgen – dafür veröffentlicht er auf der Seite instructables.com unter dem Usernamen ASCAS eine detaillierte und nachbaubare Beschreibung seines Projektes.

Ein Team des Hahn-Schickard-Instituts (IMIT) in Villingen-Schwenningen und des Instituts für Mikrosystemtechnik – IMTEK der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg um Prof. Yiannos Manoli und Klevis Ylli berichtet im Januar 2015 über die Entwicklung stromerzeugender Schuhe, bei denen zwei unterschiedliche Ansätze verfolgt werden, die beide radikal verkleinert sind, um in die Sohle eines Schuhs von Standard-Größe zu passen.

Beide induktiv-kinetischen Energiewandler erzeugen ihren Strom durch Ausnutzung der Bewegung zwischen Magneten und Spulen. Während das erste Element, der sogenannte Schwingungs-Ernter (swing harvester), die Schwingbewegung des Fußes einfängt, wenn man einen Schritt macht, erzeugt das zweite Element namens Shock Harvester (Schlag-Ernter) jedes Mal Energie, wenn der Schuh den Boden trifft.

Die Menge an Energie, die das Gerät produziert, ist mit 3 - 4 mW relativ gering und keinesfalls ausreichend, um beispielsweise ein Smartphone aufzuladen, das etwa 2.000 mW benötigt. Andererseits soll es genug sein, um kleine Sender und Sensoren mit Energie zu versorgen, mit denen sich ein Vielzahl von praktischen Anwendungen realisieren lassen: Beispielsweise kann man mit dem ,Smart Shoe Navigator’ in Gebäuden ohne GPS-Empfang navigieren oder sich in einer vorgegebenen Infrastruktur orientieren.

Interessanterweise wurde das Gerät ursprünglich entwickelt, um selbst-schnürende Schuhe für ältere Menschen und Personen mit körperlicher Einschränkung zu schaffen (Smart Shoe Autolacer).

Im Juni 2015 werden die Wissenschaftler zum Founders Forum nach London eingeladen, um ihre ebenfalls Smart Shoe genannte Entwicklung zu präsentieren.

Ausgerechnet am 1. April 2015 veröffentlicht das Magazin Nature einen Bericht über Federstiefel, die das Laufen erleichtern sollen – allerdings ohne dabei Energie zu erzeugen. Statt dessen wird eine beim Laufen bisher unerreichte Energie-Ersparnis möglich, weshalb ich die Innovation hier trotzdem aufführe.

Die Forscher der Carnegie Mellon University in Pittsburgh und der North Carolina State University in Raleigh um Steven Collins erreichen die Einsparung durch eine mechanische Feder, welche Energie besser als Muskeln und Sehnen speichern kann.

Das Unterschenkel-Exoskelett besteht überwiegend aus Karbon-verstärktem Kunststoff, wiegt ca. 500 g und erleichtert das Gehen etwa in dem Maße, als hätte man einen 4 kg schweren Rucksack abgelegt. Dabei verbraucht die Laufhilfe selbst keine Energie, da sie rein mechanisch mit einer Feder funktioniert, welche die Belastung der Achillessehne und der Wadenmuskeln reduziert. Möglich wird dieser Effekt dadurch, daß die Muskeln ja auch dann Energie verbrauchen, wenn sie sich wieder zusammenziehen.

Entscheidend ist dabei, daß die Sperrvorrichtung am oberen Ende, welche die Feder unter Spannung setzt, nur dann greift, wenn der Fuß auftritt. Während der Fuß auf dem Boden abrollt, spannt sich die Feder und speichert Energie, die sie wieder freisetzt, wenn der Fuß sich vom Boden abdrückt. Versuche, das Gehen durch Exoskelette zu erleichtern, gibt es den Forschern zufolge schon seit dem Ende des 19. Jahrhunderts, doch viel mehr als die jetzt mechanisch erzielte Energieeinsparung von durchschnittlich 7,2 % hätten auch elektrisch betriebene Geräte nicht erreicht.

Ebenso soll auf eine weitere nicht-elektrische Form der Energiespeicherung und -nutzung verwiesen werden. Der Enko ist ein Laufschuh, der mit seinen zwei Stoßdämpfern die gesamte bei jedem Schritt gespeicherte Energie bewahrt, die bei einem normalen Schuh verloren geht, wenn der Fuß den Boden berührt.

Im Gegensatz dazu speichert der Enko die Energie und gibt sie wieder ab, wenn die Ferse vom Boden abhebt, um den Lauf extrem effizient zu gestalten. Dabei gibt es eine Einstellung, mit der sich den Schuh so anpassen läßt, dasßer sowohl beim Gehen als auch beim Laufen optimal funktioniert.

Der im Februar 2015 erstmals präsentierte Hightech-Laufschuh wurde von dem französischen Läufer Christian Freschi entwickelt, der von Beruf Ingenieur ist und in den zwölf Jahren, in denen er sich der Produktforschung widmet, Dutzende von Prototypen entwickelt hat. Die optimale Mechanik hat er mit Hilfe von 3D-Modellen herausgefunden, den Rest übernahm der ebenfalls französische Designer Mathieu Pesme.

 

Abschließend ist festzustellen, daß in den Folgejahren bis Mitte 2023 keinerlei neunen Entwicklungen auf dem Sektor der Energie-lefernden Schuhe bekannt geworden sind.

Kniegenerator und Prothesen

Neben den Schuhen gibt es sogenannte Knie-Generatoren, die ebenfalls beim Gehen und Laufen Strom produzieren, wobei einige Modelle auch als Bein- oder Fuß-Prothesen ausgebildet sind.

Eine der ersten Umsetzungen geht auf Guido Dijkstra zurück, der im Rahmen seiner 2003 an der TU-Delft eingereichten Abschlußarbeit für die deutsche Firma Otto Bock Healthcare GmbH (für die ich übrigens Jahre später Gebrauchsanweisungen ins Arabische übersetze...) an einer elektronisch gesteuerten Knieprothese arbeitet, die keine Batterie benötigt.

Dijkstra stellt fest, daß die Elektronik der Prothese während des aktiven Gebrauchs nur 36 mW benötigt, wofür beim Gehen oder Laufen rund 1 % der Bewegungsenergie umgewandelt werden müssen. Also Lösung untersucht er daraufhin mehrere elektromagnetisch angetriebene Konzepte und findet heraus, daß elektrostatische und Piezo-Generatoren nicht genügend Leistung bringen, womit zwei möglichen Optionen bleiben: die Linearinduktions- oder Rotations-Stromerzeugung durch Bewegen eines Magneten durch eine Spule.

Mit dem letztgenannten Ansatz wird zwar die Modellsimulation einer Prothese mit einem mechanisch angetriebenen DC-Generator erstellt, doch weiter scheint das Konzept nicht umgesetzt worden zu sein.

Die kanadische Firma Bionic Power Inc. mit Sitz in Vancouver, British Columbia, wird im Februar 2007 als Spin-out der Simon Fraser University (SFU) in Burnaby gegründet und durch lokale Angel-Investoren finanziert. Den Kern des Unternehmens bildet ein patentierter biomechanischer Generator, der einer schmalen orthopädischen Kniestütze ähnelt und ohne merkliche Anstrengung für den Träger bei jedem Vorwärtsschwingen des Unterschenkels bis zu 5 W Leistung liefert, und damit genug Strom für elektrisch getriebene Prothesen, medizinische Implantate oder umgerechnet zehn Handys.

Das im Februar 2008 erstmals öffentlich vorgestellte System namens PowerWalk – ein Produkt aus fast einem Jahrzehnt der Forschung an der Universität durch Max Donelan, einem Experten für biomedizinische Physiologe der gleichzeitig Chefwissenschafter von Bionic Power ist – das aus zwei Energy-Harvesting-Knieschienen und einem Leistungssteuermodul besteht, wiegt etwas mehr als 1 kg pro Bein und produziert bei einem Fußmarsch von einer Minute genug Strom für eine Gesprächszeit von bis zu zehn Minuten mit einem typischen Handy.

Bereits im Juni wird ein Vertrag mit dem Defence Industrial Research Program (DIRP) des Verteidigungsministeriums geschlossen, um mit Mitteln des DIRP die weitere Entwicklung des Prototyps zu finanzieren. Dabei geht es insbesondere darum, die Leistung zu erhöhen, das Gewicht auf weniger als 1 kg zu reduzieren, den entstehenden Lärm zu verringern und die Haltbarkeit zu erhöhen. Und im Oktober 2008 ehrt das Time Magazine das innovative Gerät als eine der besten Erfindungen des Jahres.

Im Juni 2009 folgt die Meldung, daß das DIRP den bestehenden Entwicklungsvertrag erneuert und erweitert hat, um das Unternehmen beim Erreichen der Produktreife zu unterstützen, und im Mai 2010 gibt es weitere finanzielle Unterstützung durch das Industrial Research Assistance Program (IRAP) des National Research Council of Canada.

Der aktuelle Prototyp produziert durchschnittlich 12 W Leistung beim Gehen auf ebenem Gelände und über 20 W bei einem Spaziergang bergab. Er wiegt nur noch 750 g pro Bein, hat ein kleineres Getriebe und ist robuster und leiser als sein Vorgänger. Ein mikroprozessorgesteuerter Ladealgorithmus optimiert den Ladestrom und damit die Batterielebensdauer der integrierten 2 - 4 Li-Ion-Zellen.

Im November 2010 meldet die Presse, daß Bionic Power mit der Defence Research and Development Canada (DRDC), das ebenfalls dem Verteidigungsministerium untersteht, eine Kooperationsvereinbarung geschlossen hat, um den Prototyp der PowerWalk M-Serie an Soldaten zu testen.

Die Ergebnisse erfordern anscheinend viele Nachbesserungen, denn man hört erst wieder im September 2012 von der Sache, als das Unternehmen drei neue Verträge mit dem kanadischen Verteidigungsministerium, der United States Army und der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) bekanntgibt – um das PowerWalk-System weiter zu verbessern. Davon hat alleine der Vertrag mit der US-Armee einen Umfang von 3,8 Mio. $.

Doch auch damit scheint es nicht zu gelingen, ein marktreifes Produkt zu schaffen, denn im Juni 2015 ist zu hören, daß die Bionic Power eine Vertragsverlängerung mit der US-Armee im Umfang von 1,27 Mio. $ unterzeichnet hat, um den PowerWalk weiter zu entwickeln. Man darf gespannt sein, wieviele Jahre dieses Spielchen nun noch weitergeht.

Im Mai 2016 wird gemeldet, daß die Vorrichtung für das Knie nun im nächsten Jahr erstmals bei Feldversuchen getestet werden soll. Dies erfolgt gemäß späteren Informationen durch Soldaten der kanadischen, US-amerikanischen und israelischen Streitkräfte.

Danach ist erst wieder im Oktober 2019 zu lesen, daß die im Vorjahr geründete Firma Agilik Technologies Inc. und das National Institute of Health Clinical Center (NIHCC) planen, noch vor Ende des Jahres eine klinische Studie durchzuführen, um das ExoStep genannte tragbare Exoskelett von Agilik bei Kindern mit Gang- und Kniestreckungsstörung zu testen.

Der ExoStep nutzt die Exoskelett-Technologie von Bionic Power als leichtes, batteriebetriebenes, nicht-invasives Gerät zur Gangrehabilitation, weshalb die Agilik eine exklusive und weltweite Lizenz zur Nutzung der Technologie in medizinischen Märkten übernimmt. Später ist die Firma allerdings (wieder?) auf der Seite der Bionic Power zu finden, wo 2023 als erstes kommerzielles Produkt die ‚intelligente Orthese‘ Agilik angeboten wird – allerdings mit dem Hinweis, daß die Produktion in diesem Jahr auf etwa 100 Geräte begrenzt sein wird.

In Kanada wird die Roboterorthese ab dem Mai 2022 ein Jahr lang an der University of British Columbia getestet, und im März 2023 folgt eine dreijährige Studie am IRCCS Medea – La Nostra Famiglia.

Bereits im August 2022 erfährt man aus einem Interview mit dem neuen Geschäftsführer Gualtiero Guadagni, daß die ursprüngliche Idee, die Energie im Knie während eines normalen Schritts nutzbar zu machen, damals zu einer zehnjährigen vom Militär finanzierter Forschung und der Entwicklung eines leichten Exoskeletts führte, das diese Energie auffängt und in Strom umwandelt, ohne Unbehagen zu verursachen oder die Bewegung einzuschränken.

Allerdings wurde das Gerät von den Streitkräften trotz positiver Bewertungen in Feldversuchen nicht übernommen, da der Energiebedarf weiter anstieg und die Batterietechnologien verbessert wurden. Im Jahr 2017 wandte sich die Bionic Power daher elektrischen Orthesen zu, um den Gang von Kindern mit zerebralen Lähmungen zu verbessern, wofür sich die technologische Plattform der Bionic Power perfekt eignete.

Die Firma plant nun, ihr Produkt in den nächsten fünf Jahren auf den Weltmarkt zu bringen und zudem Modelle zu entwickeln, die jedem Menschen helfen können, ob mit oder ohne speziellen Gangproblemen.

Das energiesammelnde Exoskelett von Bionic Power, kombiniert mit einem angetriebenen Knie-Exoskelett, läuft inzwischen unter dem Namen Amplify – und wird mit einem Hybridauto mit regenerativen Bremsen verglichen. Es wird um Unter- und Oberschenkel geschnallt und an einem Hüftgurt befestigt, so daß es nicht durch die Schwerkraft am Bein herunterrutschen oder sich zu sehr um das Bein drehen kann.

Um ein leichtes Exoskelett für nicht-medizinische Zwecke zu schaffen, nutzt der Amplify Titan, Kohlefaser, Pebax und andere Materialien. Sein hybrider Algorithmus und der Motor/Generator verringern nicht nur die Ermüdung durch Ausdauersteigerung, sondern bieten auch eine zuverlässige Stromquelle von bis zu 12 W beim Gehen, ohne die natürliche Bewegung zu behindern. Allerdings handelt es sich noch immer um einen Prototypen und nicht um das endgültige Produkt. Wann dieses auf den Markt kommen soll, ist bislang jedoch unbekannt.

Auch an der ETH Zürich wird ein elektromechanischer Generator fürs Knie entwickelt. Dort beschäftigen sich Gerhard Tröster und seine Kollegen vom Wearable-Computing-Labor mit einem System, bei dem mit Hilfe eines elektrischen Leiters, der durch ein Magnetfeld schwingt, Strom erzeugt wird. Das Resultat sei aber noch zu unbequem, meinen die Forscher, die einen Bedarf nach dieser Stromerzeugungsmethode insbesondere bei Sensoren im Körper sehen, die dereinst beispielsweise den Verschleiß von künstlichen Hüftgelenken überwachen sollen.

An der ETH wird auch im Detail gemessen, welche Körperbewegungen am meisten Strom liefern und mit welcher Frequenz Energiepulse erzeugt werden können. Am größten ist die Ausbeute am Fuß, am geringsten am dem durch die Wirbelsäule gut gefederten Kopf.

Mit der körpereigenen Energie wollen die ETH-Forscher zukünftig allerdings primär ihre ‚wearable electronics’ (Elektronik zum Anziehen) versorgen. Dabei ist das Ziel, daß die Geräte nicht stören dürfen und unmerklich mit der Kleidung verschmelzen. Anfang 2008 arbeitet man deshalb an Piezofasern, die sich in Kleidung einweben lassen, womit alleine durch die Dehnung des Stoffes Strom generiert werden kann. Worüber sich mehr im Kapitel Micro Energy Harvesting finden läßt.

Im Juli 2009 startet eine mit 1,5 Mio. $ ausgestattete Zwei-Jahres-Studie an der University of Leeds in Großbritannien, wo Prof. Andrew Bell und seine Kollegen ein System entwickeln wollen, das die kinetische Energie marschierender Soldaten nutzen soll. Die Studie ist Teil des größeren Projekts eines ,batterielosen Soldaten’, das auch die Entwicklung von Solar- und Körperwärme-Harvesting-Technologien für das Militär umfaßt.

Die Wissenschaftler planen ein System aus Kniebandagen und Rucksackgurten mit Kristallen und High-Tech-Keramikmaterialien, die als piezoelektrische Wandler wirken. Dem Team sind allerdings die Probleme bewußt, die mit der Entwicklung einer Technologie einhergehen, die Energie aus menschlichen Bewegungen erntet - wie beispielsweise Unterschiede in der Art zu gehen -, die schon zum Scheitern ähnlicher Anstrengungen geführt haben, wie es heißt.

Man ist jedoch überzeugt, durch die Verwendung der neuesten Materialien und elektronischen Komponenten in Kombination mit der Berücksichtigung der persönlichen Unterschiede im Laufstil Erfolg zu haben, und dies ohne zusätzliche Belastung oder Ermüdung des Soldaten.

Im Dezember 2009 erhält die Firma KCF Technologies Inc. in State College, Pennsylvania, einen Zuschuß in Höhe von 2 Mio. $ vom US Army Telemedicine & Advanced Technology Research Center (TATRC) und der National Science Foundation, um eine Prothesen-Technologie mit selbständiger Stromversorgung zu entwickeln und zu vermarkten, welche die Lebensqualität von Amputierten verbessern und ihnen ermöglichen soll, in den aktiven Militärdienst zurückzukehren.

Das im November 2000 durch drei Forscher der Penn State University gegründete Unternehmen ist auf drahtlose Sensoren, Energy Harvesting, Unterwasser-Navigation und Geräte aus ,Smart Materials’ für Industrie und Militär spezialisiert. Zwar hat sich die Prothesentechnik durch den Einsatz Prozessor-gesteuerter Kniegelenke erheblich verbessert, die begrenzte Batterielebensdauer dieser Prothesen ist jedoch ein Hauptnachteil für militärische Zwecke. Außerdem bilden die Batterien den limitierenden Faktor bei der Zuverlässigkeit.

Die Finanzierung soll nun dazu beitragen einen elektroaktiven Polymer-Energiewandler zu entwickeln, der in die Unterschenkelprothese integriert werden kann, um aus der Bewegung beim Gehen und Laufen Energie zum Aufladen der Bordakkus zu generieren.

Prof. Art Kuo und der Absolvent Steve Collins von der Michigan University stellen im Februar 2010 den Prototyp einer von ihnen neu entwickelten Fußprothese vor, bei der die beim Laufen entstehende kinetische Energie ebenfalls genutzt wird, allerdings nicht primär für elektrische Zwecke, sondern zur Wiederverwertung in gleichermaßen kinetischer Form.

Mit Hilfe eines Mikroprozessors ahmt die Prothese die natürliche Bewegung des menschlichen Sprunggelenks nach und fängt die Energie auf, die von dem Bein abgegeben wird. Um die Kraft des Sprunggelenk-Abstoßes zu verbessern, steuert der Prozessor den Fuß, um die in einer Feder gespeicherte Energie exakt zum richtigen Zeitpunkt zurückzugeben – was den wichtigsten innovativen Vorsprung der Prothese ausmacht.

Dies bedeutet auch, daß die künstlichen Gliedmaßen beim Gehvorgang weniger nachgezogen werden müssen und eine beinahe natürliche Bewegung möglich wird. Gegenüber herkömmlichen Prothesen sollen sich 9 % Energie einsparen lassen, was recht gut ist wenn man bedenkt, daß das Gehen mit einem Prothesenfuß im Vergleich zum natürlichen Fuß 23 % mehr Energie erfordert.

Das die Prothese weniger als 1 W Leistung verbraucht, benötigt sie zudem nur eine kleine Batterie, wobei allerdings nicht klar gesagt wird, ob diese durch eine bordeigene Stromerzeugung nachgeladen wird oder periodisch ausgetauscht werden muß. Getestet werden die künstlichen Füße am Veterans Affairs Medical Center in Seattle, und eine in Ann Arbor beheimatete Firma hat bereits auf der Technologie basierende kommerzielle Geräte in der Entwicklung.

An einem ähnlichen System unter dem Namen Odyssey scheint 2012 auch die Firma SpringActive Inc. zu arbeiten, die uns oben bereits mit dem Strom-Stiefel SpaRK begegnet ist. Es wird als  Fußgelenk-Ersatzsystem bezeichnet, das während des Gehens Energie speichert und über ein Motor/Feder-System wieder freisetzt. Weitere Entwicklungsschritte hat es bisher nicht gegeben.

Vom Juni 2012 datiert die Meldung, daß ein Team von Wissenschaftlern der drei britischen Hochschulen Cranfield University, University of Liverpool und University of Salford um Michele Pozzi ein tragbares Gerät entwickelt hat, das die Kniebewegung piezoelektrisch in Strom umwandelt, um beispielsweise Herzfrequenzmesser, Schrittzähler und Beschleunigungssensoren zu versorgen.

Das neue, unter dem Namen Pizzicato knee-joint energy harvester bekannte Gerät paßt an die Außenseite des Knies, ist rund und besteht aus einer zentralen Drehscheibe mit vier hervorstehenden Armen, die von einem Außenringlager aus 72 Plektren umgeben ist (ein Plektrum ist ein Zupfwerkzeug, wie es bei Gitarren verwendet wird). Mit jeder Biegung des Knies dreht sich der Ring um eine Vierteldrehung, wodurch die Plektren an den Armen zupfen. Dies bewirkt, daß die Arme – ähnlich einer Gitarrensaite – zu schwingen beginnen, und es sind diese Schwingungen, die verwendet werden, um elektrische Energie zu erzeugen.

Bisher ist die Vorrichtung allerdings nur in der Lage, ungefähr 2 mW Leistung zu ernten. Die Forscher glauben jedoch, daß es relativ einfach sein sollte, dies auf mindestens 30 mW zu verbessern.

Michele Pozzi leitet auch ein weiteres Teams, das an der Herstellung einer kompakteren und kosteneffizienten Version arbeitet, die als Serienmodell schätzungsweise unter 10 £ pro Stück kosten soll.

Im August 2013 veröffentlicht Christian Pylatiuk vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) eine Studie über das Abfangen kinetischer Energie in einer Fußprothese mit Hilfe eines Fluidiksystems, das ab 1998 für eine Handprothese (Fluidhand) entwickelt wurde und aus elastischen Antriebselementen, einer hydraulischen Pumpe, einem Steuerungscomputer und einer Ventilbank bestand.

Experimentelle Ergebnisse mit dem ersten funktionsfähigen Prototypen des Energy Scavenging Systems (ESS), einer Prothese, die beim Auftreten oder Abrollen einen Kolben in einem Generator antreibt, zeigen, daß damit beim Gehen eine durchschnittliche elektrische Leistung von 0,8 W erzeugt werden kann. Allerdings handelt es sich um eine relativ komplexe Struktur, die neben dem Generator eine Kugelumlaufspindel, einen Differentialzylinder, einen Flüssigkeitsbehälter, Getriebe und Stecker umfaßt. Die Studie trägt den Namen ‚Kinetic energy scavenging in a prosthetic foot using a fluidic system‘ und ist im Netz einsehbar.

Über weitere Entwicklungsschritte beim Body Energy Harvesting (BEH) wird im September 2017 berichtet. Demnach hat das Team inzwischen zwei Systeme entwickelt, um die körpereigene Bewegungsenergie in Strom für transportable Elektrogeräte wie Smartphones, Pulsmesser oder Herzschrittmacher umzuwandeln.

Das erste ist das o.g. Modell für die untere Extremität, die das Körpergewicht beim Gehen nutzt. Unter Ferse und Ballen des Läufers ist dabei je ein kleines mit Flüssigkeit gefülltes Kissen angebracht. Beim Auftreten und Abrollen wird Öl durch eine Schlauchverbindung dazwischen hin und her gepumpt und treibt einen Kolben, der wiederum einen Generator antreibt. Der Orthesen-Mechanismus soll zukünftig in einem Sportschuh untergebracht werden.

Ein zweiter Generator kann wie eine Uhr am Handgelenk getragen werden. Da die sehr unsteten Armbewegungen hierbei in eine gleichmäßige Bewegung umgewandelt werden müssen, wird auf eine bewährte Technik zurückgegriffen, die der einer Automatik-Uhr ähnelt. Im Gegensatz zum Uhrwerk, wo die Energie mittels Schwungmasse, die eine Feder spannt, gespeichert wird, ist hier ein Induktionsmotor aktiv, in dem ein Exzenter einen Magneten in einer Spule vor und zurück bewegt.

Die derzeit erreichte Maximalleistung von 2,2 mW soll bis Ende des Jahres für eine leistungsfähigere Version für den Consumer Bereich gesteigert werden. Hierzu wird in einer Kooperation mit Prof. Wilhelm Stork vom FZI eine neuartige Elektronik entwickelt.

Im August 2013 präsentieren die Blogs das Konzept des Industrie-Designers Benjamin Azzam vom Büro RKS Design in Los Angeles, über welches es außer dem Namen Activ und einigen Grafiken aber nichts Näheres zu erfahren gibt.

Auf den Abbildungen ist ein persönlicher Stromerzeuger zu sehen, der am Knie getragen eine integrierte Batterie auflädt, deren Energie direkt oder später verwendet werden kann um über ein USB-Kabel andere Geräte des Benutzers zu speisen. Eine Umsetzung ist bislang nicht auszumachen.

Ein weiterer Entwurf vom Januar 2014 stammt von Prof. Aqua Chuan-Yu Chen und Chou Yi-Jin von der Ming Chuan University in Taipei City, Taiwan. Ihr Gerät soll dabei helfen, Verspannungen und Schmerzen in der Beinmuskulatur, die von sportlichen Übungen verursacht werden, zu lindern.

Innerhalb des per Klettverschluß umschnallbaren Energy Storage Heating Knee Pad sind eine Spule sowie Magnete plaziert, die einen kleinen Stromerzeuger bilden. Damit speichert das Gerät die während des Trainings per elektromagnetischer Induktion erzeugte Energie in seiner Lithiumbatterie, um sie danach in Form von Wärmeenergie wieder freizusetzen, wofür Funktionstextilien wie elektrothermische Isolierungsgarne oder sogenannte ,therapeutische Ferninfrarot-Stoffe’ verwendet werden, deren Wärme bis in Tiefen von 4 – 10 cm in das Unterhautgewebe dringt und die Durchblutung fördert.

Ein blaues Licht zeigt an, daß der Energiespeicher-Modus eingeschaltet ist, während ein rotes Licht auf den Wärmefreigabe-Modus verweist, der per Schalter aktiviert wird. Trotz des wenig inspirierten Entwurfs wird das Design mit einem Red Dot Award honoriert.

Im April 2015 stellen Ingenieurstudenten der Rice University in Houston, Texas, ein gleichfalls noch etwas grob wirkendes Gerät vor, das aus einer modifizierten medizinischen Beinklammer besteht, die mit jeder Biegung des Knies 4 W erzeugt und in einem Lithium-Ionen-Akku speichert.

Allerdings erreicht das Team namens Farmers, das von dem im Houston beheimateten Unternehmen Cameron International gefördert wird, welches das Energy-Harvesting-Projekt überhaupt erst an die Universität gebracht hat, damit noch nicht genug Leistung für das langfristige Firmenziel, mit der Technologie ein künstliches Herz oder andere medizinische Geräte drahtlos mit körpergeneriertem Strom zu betreiben.

Im Dezember 2015 präsentieren in Japan Forscher der Firma Daiya Industry Co. und der Hiroshima Universität um Prof. Yuichi Kurita ein minimalistisches Exoskelett, das ohne schwere Batterien und Motoren auskommt. Das Unplugged Powered Suit (UPS) nutzt stattdessen das Eigengewicht des Trägers. Allerdings dient es nicht der Stromerzeugung – soll wegen der umgesetzten Technik aber trotzdem hier erwähnt werden.

Das UPS besteht aus einer Pumpe, die sich unter der Fußsohle des Benutzers befindet, einem Luftschlauch, der von dieser Pumpe das Bein hinaufführt, und einem sogenannten pneumatischen Gel-Muskel (Pneumatic Gel Muscle, PGM). Bei jedem Schritt, den der Träger macht, drückt er mit dem Fuß auf die Pumpe. Dadurch wird Luft durch den Schlauch zu einem Hüftgurt gepreßt, wo sie in den PGM geleitet wird. Dort bewirkt sie, daß sich ein im Gerät enthaltenes Gel vorübergehend zusammendrückt, wodurch sich das Ganze wie ein natürlicher Muskel zusammenzieht und entspannt.

Je nachdem, wo genau sich die Pumpe und der PGM unter dem Fuß bzw. am Bein befinden, sind unterschiedliche Formen der Unterstützung möglich. In einer Konfiguration ist eine geringere Gesamtanstrengung erforderlich, um das Tempo beim Jogging beizubehalten, während in einer anderen Konfiguration die Geschwindigkeit, mit der sich die Beine des Benutzers beim Gehen vorwärts bewegen, erhöht wird.

Auch Wissenschaftler der Universität Harvard stellen im Januar 2017 ein robotisches Exoskelett vor, das dem menschlichen Körper Energie spart, nachdem sie den menschlichen Gang untersucht hatten. Die entscheidende Innovation im vorliegenden Fall besteht darin, daß die mechanische Kraft des Exoskeletts direkt auf die Knöchelgelenke gerichtet ist. Indem der Roboterknöchel dazu beiträgt, den Träger vorwärts zu treiben und gleichzeitig einen natürlichen Schritt zu ermöglichen, sinkt der metabolische Energieverbrauch des Trägers um den Rekordwert von 23 %.

Das Team um Conor Walsh hatte bereits im Vorjahr einen ersten Konzeptnachweis des aus Funktionstextilien, einem kabelbasierten Antrieb und einem biologisch inspirierten Steuersystem hergestellte Soft Exosuit vorgelegt. Der neuen Studie zufolge wurden zwischenzeitlich die positiven Auswirkungen des Exosuits isoliert. Indem die Antriebs-, Elektronik- und Batterieeinheiten entfernt wurden und nur die leichten, tragbaren Textilien und Zugkabel übrig gelassen wurden, konnten die Auswirkungen auf die Gelenke der Träger berechnet werden.

Genau zwei Jahre später, im Januar 2019, veröffentlicht ein Team der Binghamton University, der Stony Brook University und der University of Western Ontario eine von den National Institutes of Health (NIH) unterstützte Studie über den Einsatz intelligenter, selbstangetriebener Knie-Implantate, die die Zahl der Knieersatzoperationen verringern könnten. Knieoperationen sind die häufigsten Gelenkersatzoperationen, und die Zahl der Eingriffe nimmt jedes Jahr zu. Zudem werden viele dieser Operationen durchgeführt, um ein älteres oder verschlissenes Implantat zu ersetzen.

Ein wesentliches Problem ist, daß von den Patienten, die sich der Operation unterziehen, erwartet wird, daß sie für ihre allgemeine Gesundheit körperlich aktiv bleiben. Diese Aktivität kann jedoch auch das neue Implantat abnutzen, und oft wissen die Ärzte nicht, ob sich die Patienten überanstrengen, bis sich erste Symptome zeigen. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schaden am Implantat aber schon eingetreten.

Das Team unter der Leitung von Prof. Sherry Towfighian setzte sich daher das Ziel, intelligentere Knie-Implantate zu entwickeln, die die Veränderungen des Aktivitätsniveaus überwachen können, sobald sie auftreten. Hierfür arbeitet es an einem Implantat mit eingebauten Sensoren, die überwachen können, wie viel Druck auf das Implantat ausgeübt wird, so daß die Ärzte besser verstehen können, wie viel Aktivität sich negativ auf das Implantat auswirkt.

Um die Sensoren – ohne eine Batterie, die regelmäßig ausgetauscht werden müßte – mit Energie zu versorgen, wird ein Mechanismus entwickelt, der das Implantat durch Bewegung mit Energie versorgt. Der von Prof. Emre Salman entworfene Schaltkreis benötigt 4,6 µW, und die ersten Tests mit dem von dem Postdoktoranden Wathiq Ibrahim entwickelten Prototyp des Energiesammlers, der die durch Reibung der Mikrooberflächen entstehende triboelektrische Energie nutzt, ergeben, daß ein durchschnittlicher Spaziergang 6 µW Leistung erzeugt, also mehr als genug, um die Sensoren zu betreiben.

Die Studie mit dem Titel ‚A smart knee implant using triboelectric energy harvesters‘ ist im Netz vollständig einsehbar.

Im Juli 2019 folgen Berichte, denen zufolge auch Forscher der Chinese University of Hong Kong (CUHK) um Prof. Wei-Hsin Liao die große Bewegungsspanne des menschlichen Knies zur Energiegewinnung nutzen. Ihr 307 g schwere Prototyp konvertiert die Drehbewegung des Kniegelenks beim Gehen in eine lineare Bewegung und schließlich in Strom.

Der Mechanismus besteht aus einer Stange, die am Oberschenkel des Trägers befestigt ist und in einem beweglichen Gleitgelenk an der Wade des Trägers endet. Während der Träger ohne größere Anstrengung geht, bewegt die Stange sich in dem Gleitgelenk, wobei die Energie durch das Biegen eines Streifens aus Kohlefaser erzeugt wird, der an beiden Enden der Stange und am Schieber angebracht ist und an dem ein ‚intelligentes‘ Makrofaser-Verbundmaterial (MFC) befestigt ist, das piezoelektrischer Natur ist.

Der aktuelle Prototyp produziert bei einer Gehgeschwindigkeit zwischen 2 und 6,5 km/h etwa 1,6 µW Energie. Und indem die Forscher die Atemmuster der Träger mit und ohne dem Gerät vergleichen, können sie belegen, daß die zum Gehen benötigte Energie unverändert bleibt, was bedeutet, daß das Gerät ohne zusätzlichen Aufwand für den Menschen Energie erzeugt.

Im August 2022 wird über Wissenschaftler der Rice University berichtet, die – von der NSF unterstützt – eine experimentelle pneumatische Prothese entwickeln, die durch die Schritte des Trägers angetrieben wird – quasi einen dritten Arm, der nur durch Druckluft angetrieben wird und eine Tasse oder andere kleine Gegenstände greifen kann. Er ist für Menschen mit Behinderungen gedacht und robust genug für den täglichen Gebrauch. Außerdem kosteten alle Komponenten für ein einziges Gerät nur etwa 20 $.

Das unter der Leitung von Prof. Daniel Preston konstruierte leichte, kostengünstige und maschinenwaschbare System besteht das aus drei Hauptkomponenten: einer Reihe von mit offenem Schaumstoff gefüllten Textilpumpen, die wie Einlegesohlen in den Schuhen des Trägers getragen werden, einer Energiespeicherblase, die um die Taille getragen wird, und pneumatische Aktoren in Form eines einem aufblasbaren ‚Textil-Arms‘, der um die Hüfte geschlungen bleibt, wenn er nicht gebraucht wird. Luftschläuche verbinden die Pumpen mit der Blase und diese mit dem Arm.

Wenn der Benutzer geht und die Pumpen mit seinem Körpergewicht zusammendrückt, pressen diese Pumpen Luft in die Blase, bis diese vollständig aufgeblasen ist. Auf Knopfdruck gibt sie einen Teil der Luft in den Arm ab, so daß dieser sich vom Körper wegbewegt. Sobald der Arm in der Nähe eines Objekts positioniert ist, wird durch einen weiteren Knopfdruck etwas Luft aus dem Arm entlassen, so daß er sich um das Objekt herum zusammenrollt. Die Pumpen sind mit offenzelligem Polyurethanschaum gefüllt, der es ihnen ermöglicht, sich nach jedem Schritt wieder zu regenerieren.

Ein Elastomerbelag auf der Oberfläche sorgt dafür, daß der Arm den Gegenstand festhält, so daß der Benutzer ihn von einem Ort zum anderen tragen kann. Sobald die Person den Gegenstand loslassen möchte, läßt sie einfach wieder Luft in den Arm, so daß er sich wieder ausdehnt. Die Tests ergeben, daß das Gerät das Äquivalent von 3 W Leistung bei einem Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 20 % erzeugt.

In einer anderen Version des Systems gibt die Blase Luft in ein Art Blasebalg ab, der unter der Achselhöhle des Arms getragen wird. Wenn sich dieser Blasebalg aufbläst, hebt er den Arm an, so daß der Träger bis zu 4,5 kg heben kann, ohne hierfür die Kraft der eigenen Armmuskulatur nutzen zu müssen. Darüber hinaus denken die Forscher auch an Geräte wie pneumatische Aktuatoren, die eine therapeutische Kompression bei tiefen Venenthrombosen oder Blutgerinnseln in den Beinen anwenden.

Im Prinzip kann alles, was Luftdruck benötigt, von dem System angetrieben werden. Dazu gehören Dinge wie Handschuhe, die Menschen helfen, ihre Hände zu schließen, Unterstützung für Ellbogen- und Schultergelenke und andere Geräte, die immer noch auf typischerweise starre und sperrige Stromversorgungen angewiesen sind, die entweder unbequem sind oder an eine externe Infrastruktur angebunden werden müssen.

 

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