Cognitive-Motor Interference in Human-Exoskeleton Interaction: Evaluating the Cognitive Fit of Lower-Limb Exoskeletons

Hintergrund & Zielsetzung. Exoskelette für die unteren Extremitäten stellen vielversprechende Technologien dar, die sowohl Menschen mit Mobilitätseinschränkungen unterstützen als auch die körperliche Leistungsfähigkeit gesunder Nutzerinnen und Nutzer steigern können. Bisher haben sich die meisten Evaluierungen von Exoskeletten für die unteren Extremitäten auf die physische Leistungsfähigkeit fokussiert, während die kognitive Dimension, hier bezeichnet als kognitive Passung (cognitive fit), weitgehend unerforscht bleibt. Exoskelette können jedoch durch eingeschränkten Bewegungsumfang oder zusätzliches Gewicht die Biomechanik verändern und damit die Anforderungen an die motorische Kontrolle erhöhen. ... mehrDer Erhalt kognitiver Kapazitäten ist entscheidend, um eine funktionale und sichere Interaktion mit Exoskeletten zu gewährleisten, insbesondere wenn diese in komplexen Multitasking-Umgebungen eingesetzt werden. Vor diesem Hintergrund untersucht die vorliegende Arbeit die kognitive Passung von Exoskeletten, indem deren Einfluss auf kognitive und motorische Leistungsfähigkeit beim Gehen unter Dual-Task-Bedingungen analysiert wird, um das Ausmaß der kognitiv-motorischen Interferenz zu bestimmen.

Methodik. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei Studien durchgeführt. In Studie 1 gingen die Teilnehmenden auf einem Laufband, teils mit, teils ohne Gewichtsmanschetten an Ober- und Unterschenkeln. Die so veränderte Masse- und Trägheitsverteilung führte zu erhöhten motorischen Anforderungen. Währenddessen führten die Teilnehmenden entweder eine serielle Subtraktionsaufgabe, einen visuell-verbalen Stroop-Test oder keine kognitive Zusatzaufgabe durch. Studie 2 erweiterte die Untersuchung in ein Outdoor-Setting, in dem die Teilnehmenden mit und ohne ein aktives Exoskelett für die unteren Extremitäten über eine ebene Oberfläche gingen, während sie entweder eine serielle Subtraktionsaufgabe oder keine kognitive Zusatzaufgabe bearbeiteten. In beiden Studien wurde die motorische Leistung anhand von Gangparametern, die kognitive Leistung anhand der Ergebnisse der Zusatzaufgaben sowie die wahrgenommene physische und kognitive Beanspruchung erfasst.

Ergebnisse & Diskussion. Die Ergebnisse beider Studien zeigen, dass unzureichend an die Nutzerinnen und Nutzern angepasste Exoskelette zusätzliche physische und kognitive Anforderungen erzeugen und häufig zu einer Posture-First-Strategie führen, bei der die motorische Aufgabe gegenüber der Bearbeitung kognitiver Aufgaben priorisiert wird. Studie 1 verdeutlichte, dass die Art der Zusatzaufgabe entscheidend ist. Die kognitiv-motorische Interferenz war bei einer mentalen Tracking-Aufgabe stärker ausgeprägt als bei einer Stroop-Aufgabe, die primär auf der Verarbeitung externer Reize beruht. Studie 2 zeigte, dass eine kurzfristige Adaptation an das aktive Exoskelett die wahrgenommene Beanspruchung verringerte und die kognitive Leistung verbesserte. Dennoch blieb die kognitive Leistung unter dem Niveau des Gehens ohne Exoskelett. Insgesamt weisen die Ergebnisse darauf hin, dass unzureichend adaptierte Exoskelette sowohl die kognitive als auch die motorische Leistungsfähigkeit beeinträchtigen können, während eine kurzfristige Adaptation diese Interferenzen zwar reduzieren, jedoch nicht vollständig aufheben kann.

Implikation & Ausblick. Diese Arbeit leistet einen Beitrag zur Exoskelettforschung, indem sie ein nutzerzentriertes Framework etabliert, welches die kognitive Dimension explizit in die Mensch-Exoskelett Interaktion integriert. Darüber hinaus untersucht die Arbeit das Performance Operating Characteristics-Framework als Werkzeug für die Praxis, insbesondere für die Bewertung von Exoskeletten, die Gestaltung von Trainingsprogrammen und die individuelle Anpassung von Exoskeletten an die Nutzerinnen und Nutzer. Zukünftige Forschung sollte Exoskelette für die unteren Extremitäten mit adaptiven Steuerungsstrategien untersuchen, die spezifisch auf unterschiedliche Nutzergruppen zugeschnitten sind, und ausführlichere Trainingsprotokolle berücksichtigen. Ein vertieftes Verständnis davon, wie verschiedene Steuerungs- und Designansätze die motorische und kognitive Leistungsfähigkeit in der Interaktion beeinflussen, ist entscheidend für die sichere und effektive Implementierung von Exoskeletten im realen Einsatzkontext.

Background & Objective. Lower-limb exoskeletons have emerged as promising devices both for supporting individuals with mobility impairments and for augmenting the physical capabilities of able-bodied users. To date, most evaluations of lower-limb exoskeletons have focused on physical performance, while the cognitive dimension, referred to as cognitive fit, remains underexplored. However, exoskeletons can modify biomechanics through restricted range of motion or added mass, thereby increasing motor control demands. Preserving cognitive capacities is essential for ensuring functional and safe interaction with exoskeletons, particularly in multi-task environments. ... mehrTo address this, the present thesis examines the cognitive fit of exoskeletons by investigating their impact on cognitive and motor performance during dual-task walking, in order to assess the degree of cognitive-motor interference.

Method. Two studies were conducted as part of this thesis. In Study 1, participants walked on a treadmill both with and without weight cuffs attached to the upper and lower legs, increasing motor demand by modifying body mass and inertia distribution. During these walking conditions, participants performed either a serial subtraction task, a visual-verbal Stroop test or no cognitive secondary task. Study 2 extended this investigation to an outdoor setting, where participants walked overground with and without a powered lower-limb exoskeleton while performing a serial subtraction task or no cognitive secondary task. Both studies evaluated motor performance through gait parameters, as well as cognitive performance through secondary task outcomes and perceived physical and cognitive workload.

Results & Discussion. The results of both studies show that exoskeletons that are insufficiently adapted to the user impose additional physical and cognitive demands and often lead to a posture-first strategy, in which the motor task is prioritized over the cognitive secondary tasks. Study 1 revealed that the type of the secondary task is critical, with cognitive-motor interference being more pronounced during a mental tracking task than during a Stroop test that primarily relies on processing external stimuli. Study 2 showed that short-term adaptation to the powered exoskeleton decreased perceived workload and improved cognitve performance. However, cognitive performance remained below that observed during unassisted walking. Together, the findings indicate that poorly adapted exoskeletons may compromise both cognitive and motor performance, whereas short-term adaptation can mitigate, but not fully eliminate, interference.

Implication & Outlook. This thesis contributes to exoskeleton research by introducing a human-centered conceptual framework that explicitly integrates the cognitive dimension into human-exoskeleton interaction. Furthermore, it demonstrates the potential of the performance operating characteristics framework as a practical tool for benchmarking exoskeletons, guiding training and fitting exoskeletons to individual needs. Future research should examine lower-limb exoskeletons with adaptive control strategies tailored to specific user groups and incorporate extended training protocols. Advancing knowledge of how different control and design approaches influence motor and cognitive performance during the interaction will be essential for ensuring the safe and effective deployment of exoskeletons in real-world contexts.