Exzellent Forschen, didaktisch wie technisch qualitätvoll Lehren: Das Methodenseminar „Sporttechnologie“ der Professur Sportgeräte und -materialien Link des Departments Mechanical Engineering Link verknüpft die interaktive Outdoor-Lehrform einmal je Semester mit einer Versuchsreihe in den bayerischen Alpen. Ziel der Exkursion: Studierende bearbeiten wissenschaftliche Fragestellungen aus dem Bereich Sports Engineering und testen im Praxistest Messgeräte und Prototypen auf der Grundlage wissenschaftlicher Methodik hinsichtlich Funktionalität und Sicherheit. Materialkennwerte, Ergonomie und biomechanische Parameter beziehen sie dabei ebenso ein wie ihre subjektiven Bewertungen. Im Fokus der diesjährigen Winter-Lehrveranstaltung stand die Entwicklung einer mechatronischen Skibindung zum besseren Schutz vor Knieverletzungen im alpinen Skisport.
Text: Cornelia Freund, Bilder: Tobias Hase
Die Motivation: Methoden und Messverfahren
Ruhig und konzentriert macht sich die bunt zusammengesetzte Studierenden-Gruppe an die Arbeit. Jede Person kennt ihre Aufgabe. Die 14 Teilnehmerinnen und Teilnehmer des Methodenseminars „Sporttechnologie“ verteilen sich auf fünf Forschungsprojekte, die in den beiden Terminen im Vorfeld vorgestellt wurden. Jetzt gehen die Gruppen an das Vorbereiten von Materialien und Messtechnik, die sie via Seilbahn-Transport zur Berghütte – dem Basecamp der Nachwuchsforschenden für die Zeit des Praxistests – gebracht haben.
Vom Bachelor-Studenten Maschinenbau bis zur Master-Studentin Medizintechnik, von Jena bis China eint sie für zwei Tage ein Ziel: Sie werden Methoden und Messverfahren zur Lösung typischer Fragestellungen im Bereich Sports Engineering praktisch anwenden und kritisch bewerten. Schließlich sollen sie nach der Outdoor-Feldforschung im Garmischer Skigebiet zu allgemein formulierten Problemstellungen konkrete wissenschaftliche Vorgehensweisen entwickeln, aufbereiten und darstellen können.
Klara (Namen geändert; Anmerkung der Redaktion) legt die verkabelte Funktionsunterhose an. Sensoren messen später kinetische, kinematische und physiologische Parameter der Skifahrerin und bestimmen daraus eine Verletzungswahrscheinlichkeit. Valentin checkt derweil seine Messausrüstung: Die in die Skiunterhose integrierten Elektroden erfassen die Muskelaktivität seiner Oberschenkel beim Schwünge ziehen auf der Piste. Nebenan werden Notebooks, Messgeräte, Smartphones, Funksprechgeräte und eine Action-Cam ausgepackt und vorbereitet. Zusätzlich zu den High-Tech-Instrumenten sind weitere Arbeitswerkzeuge: ein hölzernes Brett zum Kalibrieren der Inertialsensoren und ein papierner Block für das Protokollieren der Testläufe. Erst der richtige Mix aus digitaler und analoger Aufzeichnung sorgt für verlässliche Ergebnisse.
Die Mission: mechatronische Skibindung
Mehr als ein Drittel aller Verletzungen beim alpinen Skisport betreffen das Knie. Neben lebenslangen Mobilitätsproblemen und Schmerzen der Betroffenen entstehen Kosten durch Operationen, Rehabilitation, Arbeitsausfälle und Folgeerkrankungen. Prof. Veit Senner beschäftigt sich damit, wie Knieverletzungen beim Skifahren vermieden werden können. Sein Team unter Leitung von Aljoscha Hermann untersucht, welche Kräfte beim Skifahren auf die Kreuzbänder wirken: „Vier wichtige Variablen bestimmen das Verletzungsrisiko: der Kniebeugewinkel, die Lasten am Fuß beziehungsweise an der Bindung, die Muskelaktivität und die Fahrtgeschwindigkeit. Zum Beispiel erhöht ein Kniebeugewinkel von unter 30 und über 60 Grad das Verletzungsrisiko.“
Hermann tüftelt an einer mechatronischen Skibindung, die diese vier Variablen erfasst. Werden sie in Echtzeit gemessen, erlauben sie Rückschlüsse auf die komplexen physiologischen und biomechanischen Mechanismen des Skifahrens. „Die Sensoren in der Skikleidung analysieren Bewegungsabläufe der Skifahrer:innen, die Position des Körpers und die Muskelaktivität. Daraus bestimmen sie eine Verletzungswahrscheinlichkeit und finden heraus, wann Sicherheitssysteme reagieren müssen. Sie sind idealerweise tragbar, einfach zu bedienen und robust in der alpinen Umgebung – ein typisches Wearable also, ein in die Kleidung integriertes Computersystem, das Körperfunktionen misst und die gewonnenen Daten auswertet.“
Die Studierenden untersuchen in der heutigen Versuchsreihe gemeinsam mit den Forschern den Kniebeugewinkel beim Skifahren. Sie verwenden eine „schlaue Skihose“, die den Kniewinkel erfasst. Kommt diese Hose in Kombination mit einer mechatronischen Skibindung zum Einsatz, erlaubt sie, gefährliche Situationen beim Skifahren zu erkennen und die Bindung kann rechtzeitig auslösen.
Der Trend zur Digitalisierung hilft auch im Sport, mechatronische Systeme aus technologischer und wirtschaftlicher Sicht umsetzbar zu machen. „Die intelligente Skibindung der Zukunft sammelt und interpretiert Informationen über die Sportler:innen. Sie muss in der Lage sein, Parameter in Echtzeit zu erfassen, und bei Situationen mit hohem Verletzungsrisiko darauf reagieren“, erklärt Hermann. Bis ein Demonstrator inklusive Sensorik und Algorithmen realisiert ist, bedarf es allerdings noch einer relevanten Menge an Datenmaterial und Entwicklung.
Das Modulziel: Forschen durch Lehren
Raus aus dem Labor, rauf auf die Piste: Für das studentische Projektteam „mechatronische Skibindung“ heißt es nach all der Vorbereitung jetzt, möglichst viele Testfahrten zu absolvieren. Das hoch motivierte und engagierte Team umschwärmt Klara eifrig wie eine Bienenkönigin. Immer wieder prüfen die Studierenden die Messgeräte, justieren Kabel neu, befreien die zwei Zentimeter dicke Aluminiumplatte, zwischen Ski und Skischuh, welche die Kräfte und Momente am Fuß misst, von Schnee und Eis und checken, ob die Daten übermittelt wurden. Denn ohne Daten keine Auswertung, keine Abschlusspräsentation, keine Credits, kein Abschluss des Studiengang-Moduls.
Gute Lehre ist Hermann ein echtes Anliegen, „sie ist motivierend, transparent und von gegenseitigem Respekt geprägt.“ Eine Lernerfahrung der besonderen Art sind deshalb die praktisch orientierten Lehrveranstaltungen, bei denen Dozent:innen wie Studierende wertvolle Erfahrungen sammeln. „In den Studentinnen und Studenten liegt enormes Potenzial. Findet Lehre auf Augenhöhe statt, können sie Teamgeist erleben, Soft Skills im Projektmanagement erlernen und geniale Ideen einbringen.“
Denn zentrale Aufgabe im Sports Engineering ist es, neue Entwicklungen zu generieren und vorhandene Systeme zu optimieren – für ein Mehr an Spaß am Sport durch Technik, höhere Sicherheit durch verbesserte Ausrüstung, bessere Leistung mit optimierter Ausstattung. „Sports Engineering deckt ein breites Spektrum ab. Wir beleuchten die Interaktion zwischen Mensch, Sportgerät und Umwelt unter verschiedenen Aspekten wie Biomechanik, Nutzerergonomie und subjektivem Erleben. Neben der Hardware – vom Hybridboden auf Sportplätzen über Trailrunningschuhe bis zum Sitzschlitten für Menschen mit Behinderung – beschäftigen wir uns besonders mit Informationstechnologie, beispielsweise dem digitalen Fitness-Coach oder dem selbst aufladbaren Navigationsgerät“, erklärt Prof. Veit Senner sein Forschungsgebiet: „Die von uns angewandten Methoden und Messverfahren kommen sowohl aus den Sport- und Ingenieurwissenschaften, aber auch im interdisziplinären Kontext aus den Verhaltenswissenschaften und der Psychologie. Über Sport können wir viel über die Motivation und Ziele von Menschen erfahren.“
Zur Person
Aljoscha Hermann studierte Bachelor of Science Aerospace und anschließend Master of Science Mechanical Engineering an der TUM. Die Schwerpunkte seiner Ausbildung legte er auf Product Development und Human Factors Engineering.
Seit 2015 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter und Doktorand in der Professur Sportgeräte und -materialien mit Prof. Veit Senner. Im Rahmen seiner Forschung beschäftigt er sich mit Biomechanik, Materialwissenschaften, Physiologie – und nicht zuletzt immer auch mit einem Quantum Psychologie.
Profil: www.mec.ed.tum.de/spgm/mitarbeiter/hermann
Links
Professur Sportgeräte und -materialien von Prof. Veit Senner: www.mec.ed.tum.de/spgm
Forschungsprojekt Mechatronische Skibindung der Bayerischen Forschungsstiftung: www.mec.ed.tum.de/spgm/forschung/projekte/bfs-mechatronische-skibindung
Hermann, Aljoscha und Senner, Veit (2020). Knee injury prevention in alpine skiing. A technological paradigm shift towards a mechatronic ski binding. Journal of Science and Medicine in Sport, https://doi.org/10.1016/j.jsams.2020.06.009
TUM Study and Teaching: www.tum.de/studium/lehre