Projekte

Menschliche Lokomotionsbewegungen sind zur Bewältigung vielfältiger Aufgaben in Alltag und Sport von entscheidender Bedeutung. Die Forschungsarbeiten des interdisziplinären antragstellenden Teams vom IfSS konzentrieren sich u.a. auf die Kontrolle und Biomechanik von Lokomotionsbewegungen, wie sich diese durch Trainings- und Lernprozesse, durch Erkrankungen des Muskelskelettsystems (z.B. Arthrose) sowie durch altersbedingte Abbauprozesse und Krankheit (z.B. Demenz) verändern. Ergänzend werden verschiedene Themen im Bereich der Mensch-Technik-Interaktion bearbeitet, wie z.B. der Einfluss von Sporttechnologien (z.B. Laufschuhe), Medizintechnikprodukten (z.B. Orthesen) oder Robotikkomponenten (z.B. Exoskelette) auf die Kontrolle und Biomechanik menschlicher Lokomotionsbewegungen. Schließlich wird an der Identifikation von Biomarkern geforscht, die frühzeitig Hinweise auf mögliche Überlastungssituationen geben.
Bei dem bewilligten Forschungsgroßgerät handelt es sich um ein Laufband, das dem IfSS eine einzigartige Forschungsumgebung bietet, um Lokomotionsbewegungen vor dem Hintergrund der skizzierten Forschungsthemen unter ökologisch validen und gleichzeitig kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. Besonders hervorzuheben sind die vielfältigen Funktionalitäten des Laufbands wie z.B. zwei Bänder mit integrierten Kraftmesseinheiten; verschiedene Perturbationsoptionen; Lokomotion bei verschiedenen Geschwindigkeiten und Neigungen mit selbstgewählter oder vorgegebener Geschwindigkeit; eine Virtual-Reality (VR) - Funktionalität, die eine Echtzeitdarstellung von Bewegungsszenarien auf einer Projektionsfläche vor dem Laufband ermöglicht und mit den Bewegungen des Laufbands (z.B. Neigungen und Perturbationen) synchronisiert ist; die zeitsynchrone Einbindung weiterer Messsysteme (z.B. Motion Capture) und die Echtzeitdarstellung biomechanischer Variablen über eine Projektionsfläche für bspw. Gangschulungen. Bei dem beantragten Forschungsgroßgerät sind die genannten Funktionalitäten allesamt integriert, aufeinander abgestimmt und durch die Systemsoftware modifizierbar, so dass das Laufband in Experimenten zur komplexen Bewegungs- und Belastungsanalyse, aber auch als Trainingsgerät im Rahmen von Interventionsstudien eingesetzt werden kann.
Das bewilligte Forschungsgroßgerät fügt sich optimal in die vorhandene Laborinfrastruktur am IfSS ein (z.B. Kompatibilität mit vorhandenem Motion Capture System). Es ermöglicht dem antragsstellenden Team zukünftig die Bearbeitung neuer, disziplinübergreifender Fragestellungen im Kontext der menschlichen Lokomotion und wird zu einer noch besseren Verzahnung der Forschung zwischen den Professuren am IfSS und KIT für verschiedene, gesellschaftlich relevante Zielgruppen an der Schnittstelle von Sportwissenschaft (u.a. Motorik, Biomechanik und Gesundheit), Medizin (u.a. Orthopädie und Physiologie) sowie Informatik und Ingenieurwissenschaften (u.a. Robotik) führen.

Laufzeit

• 2024 - 2029

Partner

• Prof. Dr. Alexander Woll (IfSS)
• Prof. Dr. Stefan Sell (IfSS)
• Prof. Dr. Achim Bub (IfSS)

Förderung

• Deutsche Forschungsgemeinschaft

Mit zunehmendem Schweregrad der Kniearthrose ist die körperliche Aktivität betroffener Personen eingeschränkt und die Lebensqualität gemindert. Ein angemessenes Maß an Bewegung und die daraus resultierende Gelenkbelastung ist von zentraler Bedeutung, um das Fortschreiten der Erkrankung zu verlangsamen. Betroffenen fällt es jedoch häufig schwer, die Art der körperlich-sportlichen Aktivität sowie eine angemessene Dauer und Intensität der Aktivität zu wählen, um folglich zu vermeiden, dass es zu Überbelastung, Schmerz und Funktionsverlust kommt. Mobile Healthcare-Technologien können für Betroffene eine erhebliche Hilfestellung darstellen und zur Verbesserung existierender Präventionsmaßnahmen eingesetzt werden. Durch objektives Feedback zum Bewegungs- bzw. Belastungszustand des betroffenen Gelenks, kann eine gezielte Anpassung des Bewegungsverhalten erfolgen. Die Ziele dieses Forschungsprojektes bestehen darin zu überprüfen, ob eine intelligente Kniebandage in der Lage ist, den Belastungszustand im Kniegelenk mit ausreichender Genauigkeit für das Anwendungsfeld Gonarthrose abzuschätzen und ob eine vierwöchige Nutzung der intelligenten Kniebandage sich positiv auf das Aktivitätsverhalten sowie das Schmerzempfinden von Patienten mit Gonarthrose auswirkt.

Laufzeit

• 2022 - 2026

Beteiligte Institutionen

• Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Förderung

• Bauerfeind AG

Der degenerative Verschleiß des Gelenkknorpels im inneren Anteil des Kniegelenks entspricht einer häufigen Form der Arthrose. Im Rahmen der konservativen Behandlung des Krankheitsbildes, sind orthopädische Hilfsmittel von großer Bedeutung, um eine Schmerzreduktion und Steigerung der Funktionalität Betroffener zu erzielen. Häufig zeigen Patienten eine sogenannte Varus- (O-Bein-) Fehlstellung im Kniegelenk, wodurch es zu einem veränderten Belastungsgefüge im Kniegelenk und Modifikationen im Gangbild kommt. Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist daher die Untersuchung der Wirkung einer neuen Knieorthese in Bezug auf die mediale Kniebelastung und die Biomechanik des Gangs sowie die Funktionalität und das Schmerzniveau im Kniegelenk.

Laufzeit

• 2021 - 2023

Förderung

• Bauerfeind AG

Die Hüftarthrose geht mit Schmerzen und funktionellen Einschränkungen einher und ist eine der Hauptursachen für Beeinträchtigungen in der älteren Bevölkerung. Sofern das persönliche Leiden von Patienten zu groß ist und konservative Behandlungsmethoden nicht mehr helfen, kann mittels einem künstlichen Gelenkersatz eine Schmerzlinderung und Wiederherstellung des Aktivitätsniveaus erfolgen. Trotz exzellenter klinisch-funktioneller Ergebnisse nach Hüftgelenksprothese bleiben teilweise Abweichungen im Gangmuster bestehen, welche das Risiko steigern, das in weiteren Gelenken ebenfalls eine Arthrose auftritt. Das Ziel unseres Teilprojekts ist vorherzusagen, welche Patienten anfällig für einen negativen Verlauf nach dem Einsatz der Hüfttotalendoprothese (u.a. charakterisiert durch Abweichungen in Gangmustern und erhöhten Gelenksbelastungen) sind und somit ein erhöhtes Risiko für die Entwicklung von Arthrose in benachbarten Gelenken haben. Die frühzeitige Identifikation ist notwendig, um die Rehabilitation nach einer Hüfttotalendoprothese zu optimieren und die Behandlungskosten für das Gesundheitssystem zu reduzieren.

Laufzeit

• 2022 - 2025

Partner

• Dr. Stefan van Drongelen (Klinik für Orthopädie (Friedrichsheim) des Universitätsklinikums Frankfurt)

Das Ziel des Verbundprojekts "Jung bleiben mit Robotern (JuBot) - Vielseitige Assistenzrobotik für die Alltagsbewältigung" ist die Entwicklung von humanoiden Robotersystemen und Exoskeletten mit Assistenzfunktionen, die ältere Menschen bei der Bewältigung von Alltagsaufgaben unterstützen. Im Fokus steht hierbei die Personalisierung der Assistenzfunktionen, um die Systeme optimal auf die sehr individuellen Bedürfnisse älterer Menschen anzupassen. Das Projekt gliedert sich in vier Bereiche: (A) Mechano-Informatik assistiver Robotertechnologien, (B) Personalisierte und kontextsensitive Assistenz, (C) motorisches und kognitives Training und (D) zukünftiges Leben mit Assistenzrobotern. Der wissenschaftliche Beitrag des BioMotion Centers ist dem Bereich (C) zuzuordnen. Konkret geht es darum gekoppelte biomechanische Mensch-Robotermodelle zu entwickeln, um den Personalisierungsprozess zu optimieren. Des weiteren werden Konzepte entwickelt, wie die motorische Leistungsfähigkeit älterer Menschen mit Hilfe von humanoiden Robotersystemen und Exoskeletten diagnostiziert sowie durch robotergestützte, personalisierte Trainingsprogramme verbessert bzw. erhalten werden kann.

Laufzeit

• 2021 - 2026

Partner

• Prof. Dr.-Ing. T. Asfour (IAR, KIT)
• Prof. Dr.-Ing. B. Deml (ifab, KIT)
• Prof. Dr.-Ing. B. Hein (IAR, KIT)
• Prof. Dr.-Ing. S. Matthiesen (IPEK, KIT)
• Prof. Dr. A. Woll (IfSS, KIT)
• Dr. J. Krell-Rösch (IfSS, KIT)

Förderung

• Carl-Zeiss-Stiftung

Sportlehrer sind u.a. mit nachfolgenden Herausforderungen konfrontiert: (1) Sportliche Bewegungen beschreiben, analysieren und aus biomechanischer Perspektive zu verstehen, sind zentrale Bestandteile des Sportunterrichts in der gymnasialen Oberstufe. Aufgrund fehlender Grundvorstellungen physikalischer Größen (bspw. Kraft-Zeit-Verläufe bei Sprüngen) bereitet dies Schülern häufig Probleme. (2) Im Sportunterricht haben es Sportlehrer häufig mit sehr heterogenen Lerngruppen zu tun, die in der Regel nur einmal pro Woche Sportunterricht haben (Bewegungszeit < 75min). Dies führt dazu, dass Schüler häufig große Probleme mit der Aneignung neuer sportlicher Fertigkeiten haben. (3) Darüber hinaus sind Sportlehrer häufig nicht in der Lage, alle sportlichen Fertigkeiten aller Sportarten, die für den Sportunterricht relevant sind, sehr gut vorzumachen und Schülern somit eine Vorstellung zu vermitteln, wie die zu erlernde sportliche Fertigkeit genau aussieht. Vor dem Hintergrund dieser Herausforderungen ist das Ziel dieses Projekts die Entwicklung digitaler Lösungen, die (1) helfen mechanische Größen zu visualisieren und erfahrbar zu machen und (2) motorische Lernprozesse im Schulsport zu unterstützen.

Laufzeit

• 2021 - 2023

Partner

• Dr. Tobias Wunsch (ZLB)

Förderung

• Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg

Das Verbundprojekt „3D Human Movement Studies” zielt darauf ab, die Erfahrungen aus Wissenschaft und Lehre im Bereich der Bewegungsanalyse in einem gemeinsamen Lehrkonzept zu
bündeln. Dafür sollen an den Universitäten Basel und Freiburg sowie dem KIT vier verschiedene Masterstudiengänge einbezogen werden, bei denen die Analyse menschlicher Bewegung im Fokus steht. Durch die Kombination der unterschiedlichen methodischen und inhaltlichen Schwerpunkte soll die Qualität der Lehre in der Sportwissenschaft und der Biomedizintechnik verbessert werden. Es wird ein gemeinsamer Wahlpflichtkurs der beteiligten Arbeitsgruppen ebenso wie ein Austausch auf der Ebene der Doktoranden und der Studierenden eingerichtet. Das Projekt steht unter der Leitung der Universität Freiburg und wird in Kooperation mit der Universität Basel und dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) umgesetzt. 

Laufzeit

• 2023 - 2024

Beteiligte Institutionen

• Universität Freiburg (Prof. Gehring, Prof. Granacher)
• Universität Basel (Prof. Mündermann, Prof. Faude)

Förderung

• EUCOR