GyroTrainer mit künstlicher Intelligenz

Individuelles Trainingsgerät für den Rücken entwickelt

Mit dem „GyroTrainer“ hat Burgkart in Zusammenarbeit mit dem Munich Institute of Robotic and Machine Intelligence (MIRMI) der TUM, dem Fitnessgerätehersteller Erhard Peuker GmbH und Hard- und Softwarespezialist B&W Engineering und Datensysteme GmbH innerhalb eines knapp dreijährigen Förderprojektes ein Trainingsgerät entwickelt, das die Rückenmuskulatur stärkt und individuell an die Fähigkeiten der Personen angepasst werden kann. Als Basis dient eine runde Plattform mit einem Durchmesser von etwa 50 Zentimetern, die sich nach vorne und zur Seite kippen und noch dazu drehen kann. Sie ist dem „Gyroskop“ nachgeahmt, einem Kreisel, der durch seine besondere Konstruktion in verschiedensten Konstellationen sein Gleichgewicht halten kann.

Balanceboard diente als Ausgangspunkt für das Forschungsprojekt

Ähnlich ist es bei dem GyroTrainer, bei dem es darum geht, sich auf eine Plattform zu stellen und das Gleichgewicht zu halten. Darunter befinden sich Sensoren und Elektromotoren, die Gewichtsverlagerungen des Menschen registrieren und die Scheibe kippen und drehen können. Die Herausforderung liegt darin, die Balance halten zu können, denn das Trainingsgerät verhält sich wie ein Wackelbrett, nur dass dessen Steifigkeit variabel ist und festgelegt werden kann. „Das Gerät passend einzustellen ist nicht einfach und individuell“, sagt die Forscherin Elisabeth Jensen aus dem MIRMI, „zunächst müssen wir die passende Steifigkeit für die jeweilige Person ermitteln.“ Wird die Balance bei einer definierten Steifigkeit über einen gewissen Zeitraum zuverlässig eingehalten, entscheidet ein Lernalgorithmus, auf welchem Steifigkeitsniveau die Plattform voreingestellt werden sollte, um die Nutzerin bzw. den Nutzer nicht zu über- aber auch nicht zu unterfordern.

Gaming-Ansatz: Rückentraining per Computerspiel

Dann beginnt das eigentliche Training. „Unsere Kooperationspartner haben ein Computerspiel entwickelt, das über die Bewegungen auf der Plattform gesteuert werden muss“, erläutert TUM-Forscherin Jensen. Nach dem Vorbild des Computerspiels Space Invaders schießt das eigene Raumschiff automatisch in regelmäßigen Abständen gegen die Angreifer, während es ständig dem Beschuss ausweichen muss. „Das erfordert Geschick und Konzentration“, erläutert Jensen. Je geringer die Steifigkeit der Plattform, umso schwieriger ist es, stabil zu stehen und das Raumschiff zu steuern. „Zusätzlich ist es möglich, Störungen einzubauen“, erläutert Orthopäde Burgkart. Dann dreht sich die Plattform plötzlich nach rechts oder links, so dass es noch einmal komplizierter wird, die Balance zu halten. „Erst ist die Plattform eher steifer, dann nachgiebiger und zuletzt gibt es für besonders gut Trainierte noch zwischendurch einen Extraschubs“, erläutert Burgkart, dessen Team bei Probandinnen und Probanden anhand von Elektromyogrammen (EMG) festgestellt hat, dass sich die für die Wirbelsäulenstabilität wichtige Bauch- und Rückenmuskulatur gut ansprechen lässt und die Anforderungen durch die Drehbewegung nochmal steigen. Je geringer die Steifigkeit des Systems und je mehr plötzliche Drehbewegungen, umso höher die Anforderungen für die Muskulatur. „Balancebewegungen gehören zu den effektivsten Methoden“, sagt Burgkart. Besonders präventiv sollte das neue Trainingsgerät seiner Ansicht nach eingesetzt werden, sowohl bei so genannten primären Patienten, die „eher gefährdet“ sind, als auch bei sekundären, die in der Vergangenheit bereits unter Rückenschmerzen gelitten haben.

Die nächsten Schritte: Vom Konzept zum Produkt

Nach knapp drei Jahren Forschung ist nun klar: Technisch funktioniert der GyroTrainer und erfüllt seinen medizinischen Zweck. „Dafür, dass er als Produkt eingesetzt werden kann, stehen noch ein paar Schritte bevor“, sagt Prof. Burgkart. Wichtigste Anforderung für die Zukunft: Das Gerät, das augenblicklich zur Sicherheit noch von Forschern der TUM bedient werden muss, sollte später einmal nicht nur ohne Physiotherapeut oder Trainer auskommen, sondern auch während des Einsatzes in der Lage sein, sich dynamisch den Fähigkeiten der jeweiligen Person anzupassen. Schon heute ermittelt der Gyrotrainer eigenständig die individuelle Steifigkeit per Annäherung und kann sie jederzeit anhand der gemessenen Daten anpassen. Künftig entscheidet die künstliche Intelligenz des Geräts als autarke und sichere Logik nicht nur, mit welcher Steifigkeit begonnen wird, und welchen Schwierigkeitsgrad die zugehörigen Spieloptionen haben sollten. Er kann sich darüber hinaus auch an die Tagesform, die Ermüdung und den Trainingsfortschritt anpassen. Letzte wichtige Anforderung an den neuen Rückentrainer: Er sollte in jedes Wohnzimmer passen: „Er muss mobil sein, so dass man regelmäßig trainieren kann, ohne dafür zum Physiotherapeuten gehen zu müssen“, so die Vorstellung von Prof. Burgkart.