Forschung
Als Ersatz für den Rollator: ZHAW tüftelt an intelligenten Leggings

Das «Exoskelett» der ZHAW soll Menschen, die auf Gehhilfen angewiesen sind, ihre Unabhängigkeit zurückgeben. Dafür spannen an der Fachhochschule in Winterthur Techniker und Physiotherapeuten zusammen.

Lisa Aeschlimann
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Die Leggings sind momentan in der Reparatur, aber Markus Wirz und Konrad Stadler präsentieren hier Schuhsohlen mit Sensoren aus der Anfangsphase.

Die Leggings sind momentan in der Reparatur, aber Markus Wirz und Konrad Stadler präsentieren hier Schuhsohlen mit Sensoren aus der Anfangsphase.

Marc Dahinden

Noch sieht im Forschungslabor am Technikum alles recht klobig aus: Das Hüftmodul ist aus schweren Metallteilen, das künstliche Fussgelenk lässt sich nur mit einiger Kraft verstellen. Aus diesen Einzelteilen sollen in Zukunft leichte und intelligente Leggings entstehen, die dem Träger beim Gehen, Treppensteigen oder Absitzen helfen. Weiches Exoskelett heisst das in der Fachsprache. Diese Neuheit mit dem Namen «XoSoft» wird momentan von einem 40-köpfigen EU-Forschungsteam, bei dem auch die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) mit fünf Mitarbeitenden dabei ist, entwickelt.

An der Fachhochschule in Winterthur spannen dafür Techniker und Physiotherapeuten zusammen: Konrad Stadler, Dozent für Regelungstechnik am Institut für Mechatronische Systeme, und Markus Wirz vom Institut für Physiotherapie leiten die Winterthurer Forschungseinheit. Sie erklären das Prinzip der intelligenten Leggings: Es gibt Sensoren und sogenannte Aktuatoren.

«Unsere Leggings sollen wie ein Kleidungsstücke angezogen werden.»

Markus Wirz

Die Sensoren sind auf den ganzen Leggings verteilt aufgeklebt und sind dehnbar. Auch die Schuhsohle ist mit Drucksensoren ausgestattet. Die Sensoren messen die Bewegungen des Trägers. Der Aktuator ist eine Art kleiner Motor, der an Hüft-, Knie und Sprunggelenk eingebaut ist. Der Aktuator steuert Gummibänder, die sich je nach Bewegung anspannen und so stabilisieren oder loslassen und unterstützen – ähnlich dem Gegenspielerprinzip bei Muskeln. Der Motor wird über eine Batterie betrieben, die in einem Rucksack mitgetragen wird, am Schluss soll die Batterie im Hüftmodul eingebaut sein. Die Leggings selbst werden wie bei einem Surfanzug aus Neopren sein.

Das System ist lernfähig und soll mit einem Algorithmus voraussagen können, wann der Träger absitzt, zum Treppensteigen ansetzt oder aufsteht. Darum soll es auch präventiv wirken: Die Sensoren sollen erkennen, wenn eine Person kurz vor dem Stürzen ist, und diese dann mit einem Ton warnen. Das Ganze soll praktisch und bequem sein: «Unsere Leggings sollen morgens wie ein Kleidungsstück angezogen und diskret unter der Kleidung getragen werden», sagt Physiotherapiewissenschaftler Wirz.

So sind die intelligenten Leggins aufgebaut.

So sind die intelligenten Leggins aufgebaut.

zvg

Die Zielgruppe

Die Idee für das weiche Exoskelett entstand aus einem Vorprojekt von Stadler, Experte für Exoskelette. Er war Projektleiter beim «RoboMate», einem harten Stützgestell für den Oberkörper, der heute vor allem in Industriebetrieben eingesetzt wird und ein wenig an den Anzug von Iron Man erinnert.

Die weichen Leggings allerdings richten sich an Personen, die zwar noch gehen können, aber deutlich eingeschränkt sind. Zur Zielgruppe gehören alte und gebrechliche Menschen sowie Personen, die einen Schlaganfall oder eine inkomplette Querschnittlähmung erlitten haben. Deren Muskeln werden unkoordiniert angesteuert, ihr «natürlicher Sensor» ist sozusagen defekt, sie haben wenig Stabilität beim Gehen und Stehen. Eine querschnittgelähmte Person kann beispielsweise nicht mehr lange stehen oder gehen, weil ihr die Kraft dazu fehlt. «Mit den Leggings soll es ihr dann möglich sein, eine Stunde lang spazieren zu gehen», sagt Wirz.

Gehbehinderung

Laut dem EU-Forschungsprojekt gibt es in Europa 3,2 Millionen Menschen, die auf einen Rollstuhl angewiesen sind, 40 Millionen Europäer können sich nicht ohne Hilfsmittel fortbewegen. Die Forscher rechnen damit, dass sich die Zahl der über 80-Jährigen bis 2050 vervierfachen wird und die Anzahl derjenigen, die wegen Altersbeschwerden eingeschränkt sind, stark ansteigen wird. Die bisherigen Hilfsmittel sind immer aus hartem Material. «Es gibt jedoch keine, welche explizit die Aktivierung der Beine unterstützen und fördern», sagt Projektleiter Markus Wirz. Diese Lücke möchten die Forscher mit den intelligenten Leggings schliessen. (lia)

Selbstständigkeit unterstützen

Auch im therapeutischen Umfeld sollen die intelligenten Leggings eingesetzt werden: «Wir möchten den Personen, die heute nur mit Betreuung oder mit Stütze gehen können, ihre Unabhängigkeit zurückgeben und so ihre Lebensqualität steigern», sagt Wirz. «Denn wer unsicher ist in der Bewegung, der bewegt sich automatisch weniger, seine Kondition nimmt stetig ab. Das ist ein Teufelskreis, durch den sich viele Folgeerkrankungen entwickeln können.» Genau das soll mit den intelligenten Leggings verhindert werden: «Jeder ältere Mensch, den wir mit unserer Technologie länger in seiner gewohnten Umgebung behalten können, ist ein Gewinn.»

«Die Nutzen für die Gesellschaft sind riesig. Das weiche Exoskelett wird kommen, ob wir es auf den Markt bringen oder nicht.»

Konrad Stadler

Den Forschern ist wichtig, dass sie etwas entwickeln, das im Alltag eingesetzt werden kann: «Wir wollen nicht eine Technologie entwickeln, die keine Abnehmer findet», sagt Stadler. Darum stehen sie in intensivem Austausch mit potenziellen Nutzern, Pflegepersonal und Angehörigen. Diese testen die Leggings. Die ersten Rückmeldungen zeigen, dass die Leggings vor allem besser an und ausziehbar sein und die Batterien länger halten sollen. Noch nicht zufrieden sind Stadler und Wirz mit dem Gewicht der Leggings: «Momentan sind die Leggings noch mehrere Kilos schwer, am Schluss sollen sie nicht mehr wiegen als ein schwerer Ledergurt», sagt Stadler. Und auch schnelle Gleichgewichtsreaktionen sind noch eine Herausforderung: «Wenn der Bus eine Vollbremsung macht, können wir noch nicht genügend Kraft aufbringen, um das auszugleichen.»

Das EU-Forschungsprojekt, das mit 5 Millionen Franken finanziert ist, dauert noch bis Anfang 2019. Ab wann die Leggings verfügbar sind, wer diese baut und wie viele diese kosten werden, ist noch offen. Wirz und Stadler sind überzeugt: «Die Nutzen für die Gesellschaft sind riesig. Das weiche Exoskelett wird kommen, ob wir es auf den Markt bringen oder nicht», sagt Stadler. Auf die Frage, ob intelligente Leggings den Rollator ersetzen werden, meint Wirz: «Unser System wahrscheinlich noch nicht, aber auf die lange Sicht sicher.»

Von 3-D-Händen bis zu faltbaren Solardächern

Nebst dem Projekt für intelligente Leggings forscht die ZHAW auch in anderen Bereichen an kreativen Lösungen für aktuelle Probleme. Vier Beispiele:

3-D-Handprothesen: ZHAW-Studierende haben neuartige Prothesen speziell für Kinder entwickelt, die sich einfach und günstig ausdrucken lassen. Mittlerweile ist daraus ein patentiertes System entstanden. Mit Produktionskosten von 100 bis 700 Franken pro Stück sind diese sehr günstig, was wichtig ist für den Einsatz in Entwicklungsländern. Die ersten Tests mit Patienten waren erfolgreich.

Hightech-Fotofalle: Die Wädenswiler Ingenieure der ZHAW haben eine Fotofalle aus Kunststoff gefertigt, mit der bedrohte Wieselarten besser erfasst werden sollen. Sobald Wiesel in die T-förmige, ockerfarbene Falle kommen, wird durch einen Wärmesensor eine Kamera aktiviert, die Fotos von den Tieren macht. Diese werden übers Handynetz automatisch ins Internet hochgeladen. Die Fotofalle ist bereits im Einsatz.

Effiziente Parkplatzsuche: Placebook nennt sich die virtuelle Parkplatzbörse, die das Technikum entwickelt. Die App soll Autofahrern in Städten die Suche nach einem Parkplatz erleichtern. Die Idee: Autofahrer treten dem Placebook-Netzwerk bei und geben bekannt, wann sie einen öffentlichen Parkplatz verlassen. Die App wählt dann automatisch den am besten geeigneten Parkplatzsucher aus.

Faltbares Solardach: Mit «Urban Plant» hat die ZHAW faltbare Solardächer entwickelt, die bei schlechtem Wetter zum Schutz eingefahren werden können. Die intelligente Steuerung dazu haben zwei Elektrotechnikabsolventen in ihrer Bachelorarbeit erarbeitet. Der Prototyp wird bereits eingesetzt.