Exoskelette in der medizinischen Ausbildung: Eine Fallstudie der ETH Zürich
- 2. Juli
- 8 Min. Lesezeit
Einführung & Überblick
Der Kurs Medizintechnik I & II an der ETH Zurich ist Teil des Bachelorstudiengangs Humanmedizin und wird im dritten Studienjahr (5.–6. Semester) angeboten. Der vom Rehabilitation Engineering Lab (RELab) organisierte Kurs vermittelt Medizinstudierenden die Grundlagen der Medizintechnik durch eine Kombination aus Vorlesungen, angeleiteten praktischen Übungen und einem projektbasierten Hackathon.
Im letzten Kursdurchgang (2025/2026) nahmen insgesamt 99 Studierende teil, die von sechs bis acht Tutoren betreut wurden. Ein zentrales Element des Kurses ist der Einsatz des EduExo Pro als praktische Lernplattform. Insgesamt kamen 24 Systeme zum Einsatz, die auf 24 Gruppen mit jeweils vier bis fünf Studierenden verteilt waren. Jede Gruppe arbeitet während des gesamten Kurses mit ihrem eigenen Exoskelett. Dieses Konzept stellt sicher, dass alle Studierenden in jeder Veranstaltung aktiv mit dem System arbeiten und praktische Erfahrungen sammeln.
Der Kurs verfolgt folgende Lernziele:
Vorbereitung auf die Zusammenarbeit mit Ingenieurinnen und Ingenieuren sowie Verständnis ihrer Herangehensweise an die Analyse und Charakterisierung technischer Herausforderungen
Verständnis des nutzerzentrierten Entwicklungs- und Evaluationsprozesses medizintechnischer Systeme
Vermittlung der Grundlagen der Datenerfassung, Signalverarbeitung und Regelungstechnik
Interpretation physiologischer Messsignale sowie Analyse möglicher Stör- und Rauscheinflüsse
Praktische Erfahrung im Umgang mit Sensoren, Signalen, Aktoren, Signalverarbeitung, Regelungstechnik sowie 3D-Konstruktion und 3D-Druck
Anwendung der erlernten Kenntnisse im Rahmen eines einwöchigen Hackathons im 6. Semester
Der Schwerpunkt liegt auf dem praktischen Verständnis und der direkten Anwendung. Mit seinem praxisorientierten und projektbasierten Lehrkonzept vermittelt der Kurs Medizinstudierenden ein fundiertes Verständnis dafür, wie moderne medizintechnische Systeme entwickelt werden und wie sich technische Entscheidungen auf deren Funktionalität, Benutzerfreundlichkeit und Leistungsfähigkeit auswirken.
Kursaufbau und Inhalte
Der Kurs gliedert sich in zwei Hauptteile. Medizintechnik I findet im Herbstsemester als wöchentliche Lehrveranstaltung über einen Zeitraum von zwölf Wochen statt. Medizintechnik II ist ein intensiver, einwöchiger Hackathon, der am letzten Kurstag mit einem freundschaftlichen Wettbewerb abschließt, in dem die entwickelten Lösungen unter realistischen Bedingungen getestet werden.
Medizintechnik I (Herbstsemester)
Ziel von Medizintechnik I ist es, den Studierenden die theoretischen und technischen Grundlagen zu vermitteln und ihnen ein breites Verständnis der Rehabilitationstechnik zu geben. Gleichzeitig erwerben sie praktische Erfahrungen und Fähigkeiten in der Entwicklung medizintechnischer Systeme. Gastvorträge von erfahrenen Klinikern sowie einem Exoskelett-Nutzer mit Paraplegie ergänzen die technischen Inhalte durch persönliche Einblicke und vermitteln den Studierenden ein besseres Verständnis für die klinische Praxis und die Bedürfnisse von Patientinnen und Patienten.
Ein zentrales Element des Kurses ist die praktische Arbeit mit einem echten Exoskelett. Die Studierenden nutzen das System, um Sensorik, Signalverarbeitung, Regelungstechnik und Mensch-Maschine-Interaktion unmittelbar zu erleben und praktisch anzuwenden.
Kursaufbau:
Format: Wöchentliche Lehrveranstaltungen über zwölf Wochen
Dauer pro Veranstaltung: ca. 3–4 Stunden
Ablauf: Vorlesung mit anschließender praktischer Übung
Der Kurs behandelt ein breites Spektrum an Themen – von den Grundlagen bis hin zum Verständnis vollständiger medizintechnischer Systeme:
Einführung in die Medizintechnik und den Entwicklungsprozess medizintechnischer Systeme
Human Factors und Biomechanik
Sensorik und Sensoreigenschaften, Signalerfassung und Signalverarbeitung (einschließlich Filterung und Interpretation) sowie eine vertiefte Einführung in die Erfassung und Analyse von EMG-Signalen
Aktorik
Intentionserkennung und Regelungsstrategien
Systemevaluierung, Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit
Jedes Thema wird durch eine praktische Übung mit dem EduExo Pro ergänzt. Am Ende des Semesters verfügen die Studierenden über ein fundiertes Verständnis der theoretischen Grundlagen sowie der Hard- und Softwarearchitektur und der Regelungstechnik. Darüber hinaus haben sie mit realen Sensordaten gearbeitet und grundlegende Regelungsalgorithmen selbst implementiert und getestet, um deren Einfluss auf das Systemverhalten unmittelbar zu beobachten.
Medizintechnik II (Hackathon-Woche, Frühlingssemester)
Der zweite Kursteil besteht aus einer einwöchigen Blockveranstaltung in Form eines Hackathons. Die Studierenden arbeiten in ihren bestehenden Gruppen weiter und erweitern das EduExo Pro um ein selbst entwickeltes Greifermodul. Das Anwendungsszenario orientiert sich an der Unterstützung von Personen mit eingeschränkter Arm- und Handfunktion beim Greifen und Manipulieren von Alltagsgegenständen.
Die einzelnen Gruppenmitglieder übernehmen feste Rollen, die sich an einem vereinfachten industriellen Entwicklungsprozess orientieren. So werden die verschiedenen Aufgabenbereiche aufgeteilt und gleichzeitig sichergestellt, dass alle wesentlichen Aspekte der Systementwicklung bearbeitet werden.
Zu den Rollen gehören:
Design und Prototyping (1–2 Studierende): Entwicklung des Greiferkonzepts sowie mechanische Konstruktion mittels CAD. Anschließend werden erste Prototypen aus Karton gefertigt und die endgültigen Bauteile mithilfe von Lasercutter oder 3D-Druck hergestellt.
Elektronik und Sensorik (1–2 Studierende): Integration eines zusätzlichen Servomotors sowie eines EMG-Sensors einschließlich Verdrahtung, Lötarbeiten, Spannungsversorgung und Inbetriebnahme.
Softwareentwicklung (2 Studierende): Implementierung der Regelungslogik einschließlich Verarbeitung der EMG-Signale sowie Ansteuerung von Exoskelett und Greifer auf Basis der bereitgestellten Softwarevorlagen.
Nutzerevaluierung und Präsentation (1 Studierende/r): Definition der Anwendungsszenarien, Bewertung der Benutzerfreundlichkeit sowie Vorbereitung der Abschlusspräsentation.
Teamleitung: Koordination der Aufgaben innerhalb der Gruppe, Organisation der Ressourcen und Abstimmung mit den Betreuenden während der täglichen Fortschrittsbesprechungen.
Diese Rollenverteilung ermöglicht es den Gruppen, parallel an mechanischen, elektronischen und softwaretechnischen Fragestellungen zu arbeiten, erfordert jedoch gleichzeitig eine enge Abstimmung bei der Integration des Gesamtsystems.
Im Hackathon steht das praktische Arbeiten im Mittelpunkt. Die Studierenden lernen den Umgang mit 3D-Druckern, Lasercuttern und CAD-Software, entwickeln und fertigen ihre eigenen Greifer und verbinden diese mit den im Kurs erworbenen Kenntnissen in Elektronik und Programmierung zu einem funktionsfähigen Gesamtsystem.
Die Hackathon-Woche umfasst:
Kurze fachliche Inputs, beispielsweise zu Elektronik, Prototyping und Projektmanagement
Tägliche Fortschrittsbesprechungen
Betreute und selbstständige Gruppenarbeit
Zugang zu Prototyping-Infrastruktur wie 3D-Druck, Lasercuttern und Lötarbeitsplätzen
Innerhalb einer Woche durchlaufen die Studierenden mehrere Entwicklungszyklen aus Konstruktion, Umsetzung und Test. Dadurch erleben sie den vollständigen Weg von der ersten Idee bis zu einem funktionsfähigen Prototyp.
Abschlusswettbewerb
Den Abschluss des Hackathons bildet ein vom CYBATHLON inspirierter Wettbewerb, bei dem die Teams ihre entwickelten Systeme unter praxisnahen Bedingungen testen.
Jedes Team nutzt sein EduExo Pro mit dem entwickelten Greifer, um verschiedene Alltagsgegenstände von einem Tisch aufzunehmen und an vorgegebenen Zielpositionen abzulegen. Sämtliche Aufgaben müssen ausschließlich mit dem Exoskelett und dem selbst entwickelten Greifer durchgeführt werden. Fällt ein Gegenstand herunter, muss er erneut mit dem System aufgenommen werden.
Die Aufgaben sind in einer festen Reihenfolge angeordnet. Einzelne Aufgaben dürfen ausgelassen werden, ein späteres Zurückkehren ist jedoch nicht erlaubt. Dadurch müssen die Teams Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit sorgfältig gegeneinander abwägen.
Eindrücke aus dem Abschlusswettbewerb. Mit dem um den Greifer erweiterten EduExo Pro müssen unterschiedlichste Alltagsgegenstände möglichst schnell und zuverlässig gehandhabt werden.
Insgesamt gilt es, neun Alltagsgegenstände unterschiedlicher Form und Schwierigkeit zu bewältigen. Je nach Schwierigkeitsgrad werden unterschiedlich viele Punkte vergeben:
Ball: 14 Punkte
Kunststoffbecher: 14 Punkte
Kugelschreiber: 15 Punkte
Schlüsselring aus Metall: 16 Punkte
Kunststoffring: 17 Punkte
Metallbecher: 18 Punkte
Kreditkarte: 19 Punkte
DVD-Hülle: 19 Punkte
USB-Stick: 20 Punkte
Für jede Gruppe stehen drei Minuten zur Verfügung. Nach Ablauf der Zeit werden die erreichten Punkte addiert. Das Team mit der höchsten Gesamtpunktzahl gewinnt. Bei Punktgleichheit entscheidet die kürzere benötigte Zeit.
Kursmaterialien
Das EduExo Pro als Ausgangsplattform
Das EduExo Pro bildet die technische Grundlage des gesamten Kurses und kommt in allen Lehrveranstaltungen zum Einsatz.
Insgesamt wurden 24 Exoskelette parallel eingesetzt. Jedes System verfügt über:
Schnittstellen für Oberkörper und Arm
Aktorik am Ellbogengelenk
Integrierte Sensorik (Kraft-, Positions- und EMG-Sensorik)
Einen programmierbaren Mikrocontroller zur Regelung
Die Studierenden arbeiten in jeder Veranstaltung mit dem System. Dadurch entwickeln sie über das Semester hinweg ein tiefes Verständnis für dessen Aufbau und Funktionsweise und können theoretische Inhalte unmittelbar mit dem Verhalten des realen Systems verknüpfen.
Als Grundlage dient ein rund 180 Seiten umfassendes Handbuch, das Themen wie Hardware, Elektronik, Mikrocontrollerprogrammierung und Regelungstechnik behandelt und den Studierenden einen strukturierten Einstieg bietet.
Das EduExo Pro wird im Kurs jedoch nicht unverändert eingesetzt. Um das System optimal an die Lernziele und den Studiengang Humanmedizin an der ETH Zurich anzupassen, wurden zahlreiche Erweiterungen und Anpassungen vorgenommen. Ein Teil davon wurde bereits vor Kursbeginn durch das Betreuungsteam entwickelt, weitere Erweiterungen entstehen im Verlauf des Kurses durch die Studierenden selbst. Dadurch wird das EduExo Pro schrittweise zu einer Plattform, die die Studierenden eigenständig erweitern und weiterentwickeln.
Hardwareerweiterung
Die sichtbarste Erweiterung ist ein Greifer, der am Ende des Unterarms des EduExo Pro montiert wird. Dieser wird über einen einzelnen Servomotor angetrieben und mithilfe von EMG-Signalen oder zusätzlicher Taster geöffnet und geschlossen. Neben der Konstruktion und Fertigung des Greifers gehört auch dessen vollständige Integration in die Elektronik und Regelungsstruktur des EduExo Pro zu den zentralen Aufgaben des Projekts.
Zum Entwicklungsprozess gehören unter anderem:
Konstruktion der Bauteile mit Autodesk Fusion 360
Fertigung mittels 3D-Druck und Laserschneiden
Integration eines Servomotors als Antrieb
Mechanische Montage am EduExo Pro
Während der Projektwoche entstehen mehrere Entwicklungsstufen. Die Studierenden optimieren ihre Konstruktionen schrittweise hinsichtlich Geometrie, Kraftübertragung und Befestigung.
Entwicklung der Greifer, beginnend mit Kartonmodellen zur Visualisierung und Erprobung erster Konzepte, gefolgt von Holzprototypen und schließlich 3D-gedruckten Bauteilen.
Da die Entwicklung des Greifers bewusst offen gestaltet ist, entstehen eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungsansätze. Dazu gehören beispielsweise:
Parallelgreifer mit starren Fingern
Flexible Greifer mit nachgiebigen Materialien
Für unterschiedliche Objekte optimierte Greifergeometrien
Software
Für den Kurs entwickelte das RELab eine zusätzliche Softwareabstraktion auf Basis von Jupyter Notebooks. Dadurch können die Studierenden ihre Programme in Python entwickeln, anstatt direkt in Arduino C zu programmieren. Dieser Ansatz senkt die Einstiegshürde deutlich und entspricht den Lernzielen des ETH-Medizinstudiums.
Die zugrunde liegende Softwarearchitektur besteht aus mehreren Elementen:
Eine Arduino-Ebene übernimmt die hardwarenahe Regelung, Aktorsteuerung und Datenerfassung.
Eine Python-Ebene übernimmt die Signalverarbeitung sowie die übergeordnete Regelungslogik.
Beide Ebenen kommunizieren über eine serielle Verbindung per USB oder Bluetooth.
Die Jupyter Notebooks dienen gleichzeitig als Lehrmaterial und begleiten die Studierenden durch den gesamten Kurs. Dazu gehören:
Wöchentliche Notebooks mit angeleiteten Übungen
Ein Notebook zur Fehlerdiagnose und Fehlersuche
Eine Vorlage für die Hackathon-Woche, auf deren Basis die eigenen Lösungen entwickelt werden
Greifersteuerung
Eine der zentralen Aufgaben besteht in der Entwicklung einer EMG-basierten Greifersteuerung. Im Verlauf des Kurses und insbesondere während des Hackathons setzen sich die Studierenden mit unterschiedlichen Regelungsstrategien auseinander.
Zu den häufigsten Ansätzen gehören:
Schwellwertbasierte EMG-Steuerung: Überschreitet die Aktivität des Bizeps einen definierten Schwellwert, wird beispielsweise der Greifer geschlossen.
Proportionale EMG-Steuerung: Die Stärke des EMG-Signals wird direkt auf Position oder Geschwindigkeit des Greifers übertragen.
Mehrkanalige EMG-Steuerung: Verschiedene Muskelgruppen übernehmen unterschiedliche Funktionen, beispielsweise Schließen über den Bizeps und Öffnen über den Trizeps.
Um eine zuverlässige Steuerung zu erreichen, experimentieren die Studierenden intensiv mit der Positionierung der Sensoren und erleben unmittelbar, welchen Einfluss diese auf Signalqualität und Bedienbarkeit hat.
Typische Herausforderungen sind:
Signalrauschen und Messschwankungen
Nachlassende Signalqualität durch Muskelermüdung
Eine möglichst flüssige und intuitive Bedienung
Diese Herausforderungen gehören bewusst zum Lernprozess und werden durch wiederholtes Testen und Verbessern gelöst. Dabei entstehen häufig kreative Lösungen. So wurden die EMG-Sensoren beispielsweise auch an Gesichts- oder Nackenmuskeln angebracht, um alternative Steuerungsmöglichkeiten zu untersuchen.
Ergebnisse und Erfahrungen
Nach Abschluss des Kurses sind die Studierenden in der Lage:
Das Zusammenspiel von Sensorik, Regelungstechnik und Mechanik in einem realen medizintechnischen System zu verstehen
Unterschiedliche Regelungsstrategien zu implementieren und zu bewerten
Praktische Herausforderungen der Mensch-Maschine-Interaktion zu erkennen und zu analysieren
In interdisziplinären Teams gemeinsam technische Lösungen zu entwickeln.
Aus didaktischer Sicht zeigt der Kurs, dass:
Sich Medizinstudierende auch ohne ingenieurwissenschaftlichen Hintergrund schnell in technische Fragestellungen einarbeiten können
Praktische Übungen das Verständnis komplexer Zusammenhänge deutlich fördern
Das EduExo Pro robust und zuverlässig genug ist, um parallel in großen Lehrveranstaltungen eingesetzt zu werden.
Insgesamt wurde der Kurs von den Studierenden sehr positiv aufgenommen. Die folgenden Rückmeldungen vermitteln einen Eindruck ihrer Erfahrungen:
“Es hat mir sehr Spass gemacht, einmal selbst etwas zu entwerfen, das schliesslich auch funktioniert hat.”
“Es war sehr cool zu sehen, wie aus wenig Ressourcen und wenig Vorwissen ein funktionierender Roboter hergestellt werden konnte.”
“Ich war positiv überrascht, wie viel Spass mir das Modul gemacht hat. Obwohl mein Vorwissen relativ gering war, war es mir möglich, innert dieser Woche ein Programm zu schreiben, mit welchem wir den Greifer über EMG ansteuern konnten. Das war schon ein kleines Erfolgserlebnis :)”
“Bestes Modul des Bachelorstudiums!”
Der Kurs wird einmal jährlich angeboten und vermittelt zukünftigen Ärztinnen und Ärzten ein fundiertes Verständnis für die Entwicklung, die Möglichkeiten und die Herausforderungen moderner Medizintechnik.
Wenn Sie daran interessiert sind, das EduExo Pro in Ihrer eigenen Lehre einzusetzen, finden Sie weitere Informationen auf unserer Produktwebsite oder können sich jederzeit direkt an uns wenden.
Die verwendeten Bilder wurden mit freundlicher Genehmigung des Rehabilitation Engineering Lab (RELab) der ETH Zürich zur Verfügung gestellt.
