Sport

Cybathlon: Wie Mensch und Technik zusammenwachsen

Julian Smith Writer

Beim ersten Cybathlon in Zürich traten Menschen mit körperlicher Behinderung gegeneinander an. Unterstützt wurden sie dabei von modernster Technik. 

Bei sportlichen Wettkämpfen führen technische Hilfsmittel in der Regel zur sofortigen Disqualifikation, Strafgeldern oder sogar dem Ausschluss eines Athleten vom Wettbewerb. Nicht so bei den weltweit ersten „Cyborg Games“: Die Teilnehmer des Cybathlon, der Anfang Oktober 2016 in Zürich ausgetragen wurde, waren sogar dazu angehalten, möglichst viel Technik einzusetzen. Der innovative Wettkampf solle zeigen, wie gut das Zusammenspiel von Mensch und Maschine inzwischen funktioniert, erklärt Robert Riener, Professor für Sensomotorische Systeme an der ETH Zürich und Initiator des Cybathlons.

Riener arbeitet bereits seit vielen Jahren im Bereich robotische Rehabilitationssysteme. Dabei erlebte er, dass Patienten angesichts der Einschränkungen, die moderne Prothesen bei der Bewältigung alltäglicher Aufgaben aufweisen, oft frustriert sind. Diese Erfahrungen waren ausschlaggebend für die Idee des Cybathlons. „Assistenzsysteme sind bei weitem noch nicht ausgereift“, verdeutlicht er. „Für viele Menschen mit Prothesen ist es zum Beispiel schwierig, eine Treppe oder einen Hügel hochzugehen.“ Viele Patienten seien daher von der Technik enttäuscht und verzichteten sogar lieber ganz auf die Verwendung von Prothesen.

nicht länger die augen verschliessen

Riener entschied, dass es höchste Zeit sei, diese Probleme anzugehen. Der Umgang mit vielen Systemen und Prothesen sei einfach zu kompliziert oder sie funktionierten schlichtweg nicht, bestätigt er. Seine Idee, dem Thema mithilfe von Wettkämpfen mehr Aufmerksamkeit zu verschaffen und dadurch den Diskurs und möglicherweise auch neue Innovationen anzukurbeln, stieß auf überwältigende Reaktionen. Beinahe 70 Teams aus über zwei Dutzend Ländern haben sich für den Cybathlon angemeldet.

Jedes Team bestand aus einer Gruppe von Technikern und einem Athleten, der nicht als „Sportler“, sondern als „Pilot“ bezeichnet wird. Als Assistenzsysteme waren sowohl individuell gefertigte Prototypen als auch bereits auf dem Markt erhältliche Produkte zugelassen. Die Auszeichnungen wurden jeweils dem gesamten Team verliehen.

Sechs Disziplinen mit Alltagscharakter

Bei jeder der sechs Cybathlon-Disziplinen traten die Teilnehmer direkt gegeneinander an. Dabei waren keine athletischen Kunststücke, sondern ganz alltägliche Aufgabenstellungen zu meistern: Beim Beinprothesen-Parcours mussten die Piloten mit Amputationen oberhalb des Kniegelenks Hindernisse wie Treppen, Rampen und Balken überwinden. Damit sollte gezeigt werden, dass die Technik für eine breite Zielgruppe – also auch Nicht-Athleten – durchaus nützlich ist.

Treppen sind für viele Prothesenträger eine echte Herausforderung. Bild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella
Treppen sind für viele Prothesenträger eine echte Herausforderung. Bild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella

Beim Armprothesen-Parcours gehörten hingegen Geschicklichkeitsaufgaben wie Brot schneiden oder Dosen öffnen zu den Herausforderungen für die Athleten. Dabei setzte das schwedische Team auf die sogenannte Osseointegration. Bei dieser Methode wurden dem Piloten Metallteile direkt in den Armknochen eingesetzt. „Ich hatte ihn bereits beim Training beobachtet“, erinnert sich Riener. „Seine Leistungen waren richtig gut.“

über treppen und rampen

Beim Parcours mit motorisierten Rollstühlen traten Piloten mit Beinamputationen oder Rückenmarksschädigungen zu einem Rennen über Rampen und Stufen gegeneinander an. Beim Design der Rollstühle ist die Ausgewogenheit zwischen Gewicht und Performance einer der wesentlichen Punkte, erklärt Riener: Ein breiterer Rollenstand mag beim Erklimmen von Stufen zwar mehr Stabilität verschaffen, ist aber auch schwerer und langsamer.

Moderne Prothesen geben Menschen ihre motorischen Fähigkeiten zurück. Bild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella
Moderne Prothesen geben Menschen ihre motorischen Fähigkeiten zurück. Bild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella

Zum Exoskelett-Wettbewerb schließlich waren nur Piloten zugelassen, deren Beine aufgrund einer Rückenmarksverletzung vollständig gelähmt sind. Startpunkt des Parcours war ein Sofa, auf dem der Pilot sitzt. Nach dem selbständigen Aufstehen musste er fünf weitere Aufgaben bewältigen, zum Beispiel eine Rampe hochgehen und eine Treppe hinuntersteigen.

endlich den rollstuhl loswerden

Unter den 66 teilnehmenden Teams befand sich auch eines vom Florida Institute for Human & Machine Cognition (IHMC) in Pensacola. Der Pilot Mark Daniel kann seine Beine seit einem Autounfall 2007 nicht mehr bewegen. Heute trainiert er intensiv mit dem Exoskelett X1, das vom IHMC-Labor in Zusammenarbeit mit der NASA entwickelte wurde. Daniel steuert die motorisierten Beinmodule des X1 mit Knöpfen, Schaltern und einem Bildschirm, die sich auf einer der Krücken im Bereich des Unterarms befinden.

“Ich liefere dem System grundlegende Informationen darüber, was als Nächstes kommt, aber bis zu einem gewissen Grad denkt es eigenständig“, erklärte er. Ein Pfad mit Trittsteinen, die unterschiedlich weit voneinander entfernt sind, war das schwierigste Hindernis, für das er trainieren musste. Er nahm am Cybathlon jedoch nicht teil, um zu gewinnen. „Ich möchte ein gutes Ergebnis erzielen, aber insbesondere freue ich mich auch darauf, dass dieses Event den Austausch von Erfahrungen ermöglicht“, sagte er im Vorfeld des Wettkampfs. Letztendlich seien alle Athleten aus dem gleichen Grund gekommen, meint Daniel. “Wir wollen den Rollstuhl loswerden.“ Dessen Design übrigens, wie Daniel hervorhob, bereits im alten Ägypten kaum anders ausgesehen habe.

Mit dem Cybathlon sollen innovative Technologien gefördert werden. Bild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella
Mit dem Cybathlon sollen innovative Technologien gefördert werden. Bild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella

 

elektrostimulation von muskeln

Bei einigen Wettkämpfen wurden die Bewegungen nicht mit Maschinenkraft, sondern von den Piloten selbst ausgeführt. So leitete zum Beispiel Ronald Triolo vom Advanced Platform Technology Center ein Team, das beim Fahrradrennen auf elektrische Muskelstimulation (FES) setzt. FES nutzt elektrische Impulse, um gelähmte Muskeln zu bewegen. Dazu werden normalerweise Elektroden auf der Haut angebracht. Beim Rennen steuerten die Piloten ihr nicht motorisiertes Liegerad mittels FES über einen flachen Rundkurs.

Triolo hat mit einer neuen Form von FES Pionierarbeit geleistet: Bei dieser kommen chirurgisch implantierte Elektroden-„Manschetten“ aus flexiblem Kautschuk zum Einsatz, die die einzelnen Muskelnerven umschließen. Die Manschetten, auch Cuffs genannt, sind mit einem Impulsgeber verkabelt, der sich im Unterleib des Trägers befindet und der von einem externen Wearable-Computer Funksignale empfängt.

radfahren einfacher als gehen

Triolo zufolge lässt sich die Muskelaktivität mit dieser Methode deutlich präziser steuern, was bei einem Wettbewerb wie diesem eine feine Abstimmung zwischen Kraft und Ausdauer ermöglicht. Unterschiedlich vorprogrammierte Muskelstimulationsmuster ermöglichen Patienten in Triolos Labor bereits verschiedene Bewegungen – etwa aufstehen, das Gleichgewicht halten und kleine Schritte machen. „Radfahren ist genau genommen noch einfacher als gehen“, erklärt Triolo.  „Der Radfahrer muss sich nicht um das Gleichgewicht kümmern, sondern kann sich auf den Vortrieb konzentrieren.“

Beim Radrennen werden die Muskeln der Athleten elektrisch Stimuliert. Bild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella
Beim Radrennen werden die Muskeln der Athleten elektrisch Stimuliert. Bild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella

Jeder Fahrer erhält ein personalisiertes Stimulationsmuster, das beim Antreten des Pedals genau zum richtigen Zeitpunkt individuelle Muskeln anregt. Die Radfahrer müssen lenken, schalten und ihre Energiereserven im Blick behalten, um zu verhindern, dass ihre Beine zu schnell ermüden. „Das Ziel ist eine nahtlose Integration: Der Mensch soll eng mit der Technik verbunden sein und mit ihr interagieren“, erklärte Triolo und fügte hinzu: „Menschen mit Lähmungen sollen ein effizienteres Hilfsmittel erhalten, um sich sportlich betätigen zu können.“

cybathlon soll inklusion verbessern

Die sechste Cybathlon-Disziplin erforderte zwar am wenigsten körperliche Bewegung, war aber vielleicht sogar die anspruchsvollste. Beim Wettbewerb mit Gehirn-Computer-Schnittstelle (Brain-Computer Interface, BCI) traten Piloten an, deren Motorik vom Hals abwärts aufgrund einer Rückenmarksverletzung, eines Schlaganfalls, einer neurologischen Erkrankung oder einer sonstigen Verletzung stark beeinträchtigt oder gar nicht vorhanden ist. Für diesen Wettkampf wurde eigens ein Computerspiel entwickelt.

Jeder der Piloten trug eine mit Elektroden und Kabeln versehene Kappe, die anhand von Elektroenzephalografie (EEG) oder Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) Hirnsignale erkennt und diese an einen Computer weiterleitet. Die Piloten steuerten ihren digitalen Avatar mit ihren Gedanken und bewältigten so den virtuellen Parcours mit all seinen Hindernissen. Assistenzsysteme, die diese Art von „Neuroprothesen“-Technik nutzen, sind heute schon in Verwendung.

Riener denkt bereits über neue Disziplinen nach, etwa kreative Wettbewerbe wie Zeichnen, Malen, Tanzen oder Musizieren für Menschen mit sensorischer Beeinträchtigung. Vor allem aber wünscht er sich, mit dem Cybathlon bisherige Barrieren zu überwinden. „Das bestmögliche Ergebnis wäre, wenn wir Vorurteile beseitigen und die Akzeptanz und Inklusion von Menschen mit Behinderungen verbessern könnten“, erklärt er.

Titelbild: ETH Zürich – Alessandro Della Bella

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