Biomechanik Bewegliche Rückenlehne steuert Rollstuhl

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Rollstühle sind eine tolle Erfindung, aber das Handling ist nicht immer einfach. Die kleinen Vorderräder sind frei drehbar, um agile Bewegungen zu ermöglichen. Die Kehrseite: Ist ein Weg beispielsweise seitlich geneigt, lässt es sich schwer geradeaus fahren, man muss ständig mit Kraft gegensteuern. Doch es geht auch anders.

Reto Togni und Stefan Villiger, beide wissenschaftliche Mitarbeiter im Labor für Bewegungsbiomechanik der ETH Zürich, entwickelten einen Rollstuhl mit einer beweglichen Rückenlehne. Diese ist direkt mit den Vorderrädern verbunden und steuert so das ganze Gefährt. Das geschieht alles rein mechanisch: Lehnt sich der Nutzer nach rechts, fährt der Rollstuhl nach rechts, bei einer Neigung nach links fährt er nach links. „Das spart viel Energie und macht Bremsen auf Trottoirs und in Kurven unnötig“, sagt Togni.

Mit weniger Energie schneller unterwegs

Wie viel weniger Kraft das Steuern per Rückenlehne braucht, zeigen die Tests in der Tiefgarage auf dem Campus Hönggerberg, die Togni im Rahmen seiner Doktorarbeit an der ETH Zürich durchführte. Dazu fuhren 29 Probanden sechsmal hintereinander einen Parcours: eine Gerade mit einer seitlichen Neigung von fünf Grad, 180-Grad-Kurven und eine Slalomstrecke. Die Testpersonen fuhren zuerst mit einem herkömmlichen Rollstuhl, dann mit dem Prototyp mit der beweglichen Rückenlehne. Bei beiden Modellen zeichneten Sensoren in den großen Antriebsrädern auf, wie viel Kraft die Probanden beim Steuern und Fahren brauchen.

„Bereits beim ersten Durchgang war klar, dass die Steuerung per Rückenlehne die Testpersonen viel weniger Kraft braucht“, sagt Togni. Mitentwickler Villiger fuhr selbst mit und bestätigt: „In der geneigten Gerade musste ich mit dem Prototypen nicht einmal mit der Hand korrigieren. Und auch in der Kurve war das Vorwärtskommen viel müheloser. Beim herkömmlichen Rollstuhl war ich immer am Bremsen und gleichzeitig am Angeben.“ Das zeigen auch die Auswertungen:

Obwohl die Probanden fürs Vorankommen mit lehnengesteuerten Rollstühlen weniger Energie aufwenden mussten, waren sie zudem schneller unterwegs als Probanden in herkömmlichen Rollstühlen. Dies erstaunte selbst die Forschenden: „Normalerweise braucht man ja mehr Energie, je schneller man sich fortbewegt“, sagt Togni.

Entlastung für den Körper

Die Steuerung per Rückenlehne reduziert nicht nur den Kraftaufwand, sondern schont auch Schultern, Arme und Hände von Rollstuhlfahrern, die über die Jahre oft Schulterprobleme entwickeln. Es gebe, so die beiden Forschenden, aber weitere gesundheitliche Vorteile: Die sanften Rumpfbewegungen, die es zum Steuern braucht, dürften die Durchblutung anregen und können gegen Rückenschmerzen und Verdauungsbeschwerden helfen. Zudem entlastet die Gewichtsverlagerung das Gesäß und könnte helfen, Druckstellen vorzubeugen.

Ein anderer Vorteil ist, dass man einhändig fahren und die zweite Hand frei hat, um Gegenstände von einem Ort zum anderen zu transportieren – ob Schirm, Handy oder einen Kaffee.

Die neuartige Steuerung hat aber auch einen Nachteil: Das Drehen am Ort und das Bewegen auf kleinem Raum ist nicht so einfach wie mit einem herkömmlichen Rollstuhl. Deshalb hat der Prototyp an der Seite einen Hebel, der die Steuerung über die Lehne ein- und ausschaltet. Der Rollstuhl lässt sich dann wie gewohnt über die großen Antriebsräder lenken.

Vom Skateboard inspiriert

Auf die Idee für die Lehnenlenkung kam Togni 2017 während seines Masterstudiums in Innovation Design Engineering. „Ich sprach mit einigen Menschen mit Behinderungen über ihre Hilfsmittel und hörte den Wunsch nach besser funktionierenden, analogen Geräten“, sagt Togni. Eine Frau habe beispielsweise erwähnt, wie schön es wäre, wenn sie als Rollstuhlfahrerin zurücklehnen und die Fahrt genießen könnte. Ein anderer habe erzählt, wie frustrierend es sei, von einem Skateboarder überholt zu werden. „Die Steuerung durch Gewichtsverlagerung müsste auch bei einem Rollstuhl möglich sein“, dachte sich Togni und begann zu tüfteln.

Seinen ersten Prototyp baute er 2017 während seines Masterstudiums in London. Während seines anschließenden Doktorats im Labor für Bewegungsbiomechanik an der ETH Zürich entwickelte Togni seine Technologie weiter und legte in Laborstudien dar, wie sich seine Lenkung aus biomechanischer Sicht verhält und für wen sie geeignet ist.

Stefan Villiger studierte an der ETH Zürich Maschinenbau. Vom Rollstuhl-Projekt erfuhr er bei einer internen Präsentation. „Ich war fasziniert von der einfachen und doch sehr eleganten Lösung“, sagt Villiger. Für seine Masterarbeit meldete er sich bei Togni. Zusammen haben sie inzwischen mehrere Prototypen entwickelt.

Unterstützt durch ein ETH Pioneer Fellowship haben die beiden ETH-Mitarbeiter nun Zeit, ihre Technologie zu optimieren und auf den Markt zu bringen. Dazu werden sie demnächst das Start-up Versive gründen.

Bis jetzt haben mehr als 50 Rollstuhlfahrer die Steuerung per Rückenlehne getestet, und viele sind davon überzeugt. „Das ist die größte Verbesserung für Rollstuhlfahrer seit der Erfindung des Rades, meldete eine der Testpersonen zurück“, sagt Togni.

Die Lenktechnologie ist weit fortgeschritten und funktioniert – und das Patent gesichert. Die Herausforderung ist nun, ganze Rollstühle herzustellen und zu vertreiben. Das liegt weniger an den Bestandteilen, denn bei diesen handle es sich „um einfache, günstige Teile, die man zum Beispiel auch für Velos braucht“. Die Herausforderung ist die Anpassung an einzelne Nutzende.

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