Gesundheits-App als Fitness-Coach für Familien

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 21.11.2019

Interaktive Software bietet Tipps und Ansporn per Smartphone – Eltern und Kinder motivieren sich gemeinsam zu mehr Bewegung und gesünderer Ernährung

Die Familie prägt die eigenen Ess- und Bewegungsgewohnheiten. Dieser Aspekt spielt eine wesentliche Rolle im Projekt SmartFamily zur digital unterstützten Gesundheitsförderung. Sportwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben gemeinsam mit Experten aus Psychologie, Ernährungswissenschaft und Informatik eine mobile App mit integriertem Gesundheitstrainer erarbeitet. Die Weiterentwicklung der App fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 350.000 Euro.

Mehr Obst und Gemüse essen, öfter mal das Fahrrad nehmen, statt sich ins Auto zu setzen – gemeinsam lassen sich solche Vorsätze leichter verwirklichen. Deshalb setzt das Projekt SmartFamily auf den Teamgeist: Eltern und Kinder stecken sich miteinander Ziele für mehr Bewegung und gesündere Mahlzeiten. In der App legt die Familie fest, was sie gemeinsam innerhalb einer Woche erreichen will. Die Koppelung der Handy-App mit einem Bewegungssensor ermöglicht es, jederzeit Rückmeldungen über die eigenen und familiären Beiträge zum Erreichen des Wochenziels zu erhalten. Der eigene Beitrag bleibt dabei für die anderen unsichtbar.

„Die App bewirkt, dass die Familienmitglieder sich mehr bewegen und gesünder essen, darauf weisen erste Ergebnisse unserer Untersuchung deutlich hin“, sagt Janis Fiedler, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Sport und Sportwissenschaft (IfSS) des KIT. Dort forscht er am Lehrstuhl für Sozial- und Gesundheitswissenschaften von Professor Alexander Woll. 60 Familien hatten in der ersten, mehrjährigen Phase der Studie zur Wirksamkeit der App teilgenommen; ihre Daten werden derzeit ausgewertet.

Bewegungscoach motiviert und informiert

Künftig soll die auf sportwissenschaftlichen Fakten und psychologischen Erkenntnissen basierende App interaktiv und optisch ansprechender werden. Davon versprechen sich die Wissenschaftler eine noch bessere Wirksamkeit der App, die zuvor auf Basiselemente beschränkt war. Jetzt versorgt ein Bewegungscoach in Gestalt einer animierten Figur die App-Nutzerinnen und -Nutzer auf Wunsch bis zu fünf Mal am Tag mit interessanten und mitunter erstaunlichen Fakten rund um die Themen Gesundheit und Ernährung und regt dazu an, sich zu bewegen. Zudem fragt die Figur im Sportdress nach der aktuellen Stimmung, nach der Anzahl der am Tag gegessenen Gemüseportionen, und ob sich die Nutzer wach oder müde fühlen. „Dies hilft uns zu verstehen und erklären, warum jemand sich nicht bewegt und ermöglicht Rückschlüsse auf Zusammenhänge zum Beispiel mit Schlafmangel“, erläutert Sportwissenschaftler Fiedler. Die zweite Phase des Projekts läuft bis 2021 und wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 350.000 Euro gefördert. Die App soll für Öffentlichkeit und Wissenschaft nach Ende der zweiten Projektphase 2021 kostenlos bereitgestellt werden.

SmartFamily und SmartAct: Forschung zum Gesundheitsverhalten in Familien

Im Fokus der Studie SmartFamily – Mobile familienbasierte Intervention zur Förderung des Aktivitäts- und Ernährungsverhaltens – steht die Motivation der Teilnehmenden. „SmartFamily ist in das Forschungsprojekt SmartAct eingebunden, dessen Ziel es ist, mit Hilfe mobiler Technologien wie Smartphones das Gesundheitsverhalten der Menschen langfristig zu verbessern“, sagt Tobias Eckert, wissenschaftlicher Mitarbeiter am IfSS des KIT. Kooperationspartner des KIT im Verbundprojekt sind die Universität Konstanz und die Universität Mannheim. „Im Zentrum steht die Entwicklung und Erprobung einer Toolbox, die eine unmittelbare Rückmeldung zum Gesundheitsverhalten ermöglicht“, so der Sportwissenschaftler. Die Karlsruher Forscher setzen für ihre Studie einen streichholzschachtelgroßen Sensor ein, den die Teilnehmenden mit einem Klipp in Hüfthöhe zum Beispiel am Gürtel befestigen. Er misst nicht nur die Zahl der Schritte, sondern erkennt auch die Bewegungsintensität, zum Beispiel beim Bergauf-Radeln. Entwickelt wurde der Sensor von dem Unternehmen movisens GmbH, das 2009 als Spin-off des KIT gegründet wurde.

Familien zur Teilnahme an der neuen Studie gesucht

Für die Studie mit ihrer weiterentwickelten App suchen die Wissenschaftler des IfSS wieder interessierte Familien – mindestens ein Elternteil und mindestens ein Schulkind, das noch zu Hause wohnt – aus dem Raum Karlsruhe. Wer teilnimmt, erhält eine wissenschaftliche Auswertung seiner sportlichen Aktivität und individuelle Empfehlungen von den Experten. (afr)

Externer Link: www.kit.edu

Innsbrucks Quantencomputer unterstützen Quantensoftware-Tool Qiskit

Medieninformation der Universität Innsbruck vom 05.11.2019

Die Quantencomputer von Alpine Quantum Technologies GmbH und Universität Innsbruck unterstützen nun Qiskit, eine führende Open-Source-Programmiersprache, die ursprünglich von IBM entwickelt und von Wissenschaftlern aus aller Welt weiterentwickelt wurde. Qiskit besitzt eine Vielzahl von Algorithmen und Anwendungen, die nun über die Cloud auf den Quantencomputern in Innsbruck verfügbar sind.

Quantencomputer werden Anwendungen in der Chemie, Logistik, Finanzen und vielen anderen Bereichen finden. Aktuell gibt es einen Wettlauf zwischen verschiedenen Technologien zur Realisierung eines Quantencomputers – darunter gespeicherte Ionen, supraleitende Schaltungen, einzelne Photonen und viele mehr. Im Gegensatz zur Vielfalt der technischen Ansätze gibt es nur sehr wenige Quantenprogrammiersprachen, wobei Qiskit das am häufigsten verwendete Entwicklungskit für Quantensoftware ist. Qiskit enthält eine große Bibliothek von Algorithmen, Routinen und Anwendungen. Bislang konzentrierte sich Qiskit vor allem auf die supraleitende Plattform – was sich nun ändert.

Innsbruck und IBM

Im Anschluss an ein internationales Qiskit-Camp in der Schweiz haben Studierende der Universität Innsbruck und Mitarbeiter von Alpine Quantum Technologies (AQT) mit IBM an der Erweiterung der Fähigkeiten von Qiskit gearbeitet. Quantenentwickler können nun auf Knopfdruck Verschränkung erzeugen und untersuchen, neue Quantenalgorithmen entwickeln und neuartige Quantenanwendungen auf Geräten von IBM, AQT und der Universität Innsbruck realisieren. „Als wir Qiskit im März 2017 auf den Markt brachten, war unser Ziel ehrgeizig, aber einfach – eine offene Softwareplattform zu schaffen, um Quantenprogramme zu erstellen, sie auf verschiedene Geräte abzubilden und sie auf Simulatoren und verschiedenen Arten von echter Hardware auszuführen“, sagte Dr. Walter Riess, Manager von IBM Q Europe und IBM Research. „Diese offene Strategie hat es uns nun ermöglicht, unsere Community über unsere eigenen supraleitenden Qubit-Geräte hinaus auf Ionenfallen mit AQT auszudehnen, die die Qiskit-Schnittstelle für ihr Gerät in nur drei Tagen entwickelt und ausgeführt haben.“ Dr. Philipp Schindler von der Universität Innsbruck erklärt: „Mehrere unserer Forschungspartner setzen Qiskit bereits ein. Durch die Integration der Innsbrucker Quantencomputer als Backend in Qiskit können unsere Partner ihre Ideen direkt auf unseren Geräten umsetzen. Das wird unsere wissenschaftliche Forschung deutlich stärken.“ Neben der Grundlagenforschung profitieren auch anwendungsorientierte Entwickler von diesen neuen Möglichkeiten. Das Quantencomputer-Startup AQT in Innsbruck hat eine wachsende Anzahl von Kunden mit unterschiedlichen Interessen. AQT-Geschäftsführer Dr. Thomas Monz freut sich „unseren Kunden mitzuteilen, dass wir Qiskit nun als Programmiersprache unterstützen. Qiskit wird uns und unseren Partnern die Entwicklung neuer Anwendungen erleichtern.“ Thomas Monz und Philipp Schindler sind überzeugt, dass die Unterstützung von Qiskit dem Standort Innsbruck helfen wird, die Zahl der Forschungspartner und Kunden zu erhöhen.

Externer Link: www.uibk.ac.at

Magnesiummangel stoppt Wachstum von Krankheitserregern

Medienmitteilung der Universität Basel vom 21.11.2019

Dringen Krankheitserreger in die Körperzellen ein, bekämpft unser Körper sie mit verschiedenen Methoden. Eine Forschungsgruppe am Biozentrum der Universität Basel hat nun erstmals zeigen können, wie eine Pumpe in den Zellen die eingedrungenen Erreger in Schach hält. Wie die Forscher in «Science» berichten, erzeugt diese einen Magnesiummangel und hemmt dadurch das Bakterienwachstum.

Wenn Krankheitserreger einen Organismus befallen, ruft das sofort das Immunsystem auf den Plan, welches die Bakterien bekämpft. Um den patrouillierenden Abwehrzellen zu entkommen, nisten sich einige Bakterien in den Zellen des Wirts ein. Der Wirt hat jedoch Strategien entwickelt, um die im Zellinneren versteckten Keime in Schach zu halten.

Wie Olivier Cunrath und Prof. Dirk Bumann am Biozentrum der Universität Basel nun herausgefunden haben, ist Magnesium entscheidend für das Bakterienwachstum im Zellinneren. Magnesiummangel bedeutet Stress für die Bakterien. Die Erreger hören auf zu wachsen und sich zu vermehren. Die Wirtszelle erzeugt diesen Magnesiummangel durch ein Transportprotein, kurz NRAMP1.

Wirtsprotein legt Krankheitserreger lahm

Die Forscher haben in ihrer Studie Salmonellen untersucht, die unter anderem Magen-Darm-Grippe und Typhus verursachen. Sie nisten sich in kleinen Einschlüssen in den Fresszellen des Immunsystems, den sogenannten Makrophagen, ein. Ob und wie schnell sich die Salmonellen in den Einschlüssen vermehren und sich schliesslich weiterverbreiten, hängt stark von der Funktionstüchtigkeit des NRAMP1-Transporters ab.

«Man weiss schon seit langem, dass NRAMP1 mit der Widerstandsfähigkeit gegen Infektionen in Verbindung steht. Doch das Wie und Warum, waren nie ganz klar», sagt Bumann. «Wir waren sehr von der Tatsache überrascht, dass dieses Transportprotein Magnesiumionen aus den Zelleinschlüssen herauspumpt und die Salmonellen so ruhigstellt. Das ist ein ganz neuer, unerwarteter Mechanismus.»

Magnesium ist Achillesferse für Bakterien

Magnesium ist ein zentraler Bestandteil vieler Stoffwechselenzyme, daher schrauben die Bakterien bei einem Mangel ihren Stoffwechsel herunter und verlangsamen ihr Wachstum. «Magnesium ist für intrazelluläre Erreger die Achillesferse. Je weniger davon vorhanden ist, desto mehr lechzen sie danach. Die Bakterien geraten in Alarmbereitschaft und aktivieren ihrerseits alle Aufnahmesysteme für Magnesium. Trotzdem schaffen sie es nicht, genug davon zu bekommen», so Erstautor Cunrath. «Ist die Pumpe in den Wirtszellen hingegen defekt, haben die Salmonellen genügend Magnesium, um schnell zu wachsen.»

Transporter beeinflusst Widerstandskraft des Wirtes

Die Funktionstüchtigkeit von NRAMP1 spiegelt sich in der Anfälligkeit für Infektionen wider. Tiere und Menschen, die nur wenig NRAMP1 bilden, sind empfindlicher gegenüber verschiedenen intrazellulären Erregern. Fehlt dieser Transporter völlig, verläuft die Infektion bereits bei einer sehr geringen Erregerzahl tödlich.

Infektionen sind immer ein Wettkampf auf Zeit zwischen Wirt und Erregern. Mit neuen Medikamenten, die den Magnesiumhaushalt der Bakterien zusätzlich stören, könnte man die Erreger noch stärker ausbremsen und damit dem Wirt einen entscheidenden Vorteil verschaffen, um die Infektion zu besiegen.

Originalpublikation:
Olivier Cunrath and Dirk Bumann
Host resistance factor SLC11A1 restricts Salmonella growth through magnesium deprivation
Science (2019), doi: 10.1126/science.aax7898

Externer Link: www.unibas.ch

Weltrekord-Material macht aus Wärme Elektrizität

Presseaussendung der TU Wien vom 14.11.2019

Ein neuartiges Material erzeugt aus Temperaturunterschieden sehr effizient elektrischen Strom. Damit können sich Sensoren und kleine Prozessoren kabellos selbst mit Energie versorgen.

Thermoelektrische Materialien können Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln. Das liegt am sogenannten Seebeck-Effekt: Wenn zwischen den beiden Enden eines solchen Materials ein Temperaturunterschied besteht, wird elektrische Spannung generiert und Strom kann fließen. Wie viel elektrische Energie bei einer gegebenen Temperaturdifferenz gewonnen werden kann, wird mit Hilfe des sogenannten ZT-Wertes gemessen: Je höher der ZT-Wert eines Materials ist, umso besser sind seine thermoelektrischen Eigenschaften. Beste bisherige Thermoelektrika kamen auf ZT-Werte von etwa 2,5 bis 2,8. Am Christian Doppler Labor für Thermoelektrische Materialien an der TU Wien gelang es nun, ein völlig neues Material zu entwickeln, mit einem ZT-Wert von 5 bis 6. Es handelt sich dabei um eine dünne Schicht aus Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium, aufgetragen auf einem Silizium-Kristall.

Das neue Material ist so effektiv, dass man es in Zukunft verwenden könnte, um Sensoren oder auch kleine Computerprozessoren mit Energie zu versorgen. Anstatt kleine elektrische Geräte an Kabeln anzuschließen, könnten sie ihren eigenen Strom aus Temperaturdifferenzen generieren. Im Fachjournal „Nature“ wurde es nun erstmals präsentiert.

Elektrizität und Temperatur

„Ein gutes thermoelektrisches Material muss einen großen Seebeck-Effekt besitzen und daneben zwei Anforderungen erfüllen, die schwer miteinander vereinbar sind“, sagt Prof. Ernst Bauer vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Einerseits soll es elektrischen Strom möglichst gut leiten; andererseits soll aber Wärme möglichst schlecht transportiert werden.“ Das ist eine Herausforderung, denn gewöhnlich hängen elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit eng miteinander zusammen.

Am Christian-Doppler-Labor für Thermoelektrizität, das Ernst Bauer 2013 an der TU Wien eröffnete, wurde in den letzten Jahren intensiv an unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien für unterschiedliche Einsatzzwecke gearbeitet. Und dabei stieß man nun auf ein ganz besonders bemerkenswertes Material – eine Kombination aus Eisen, Vanadium, Wolfram und Aluminium.

„Die Atome in diesem Material sind normalerweise streng regelmäßig angeordnet, in einem sogenannten flächenzentrierten kubischen Gitter“, sagt Ernst Bauer. „Der Abstand zwischen zwei Eisenatomen ist immer gleich groß, dasselbe gilt für die anderen Atomsorten. Der ganze Kristall ist daher völlig regelmäßig aufgebaut.“ Wenn man das Material allerdings als dünne Schicht auf Silizium aufträgt, passiert etwas Erstaunliches: Die Struktur verändert sich radikal. Zwar bilden die Atome auch auf Silizium immer noch ein kubisches Muster, allerdings mit raumzentrierter Anordnung. Daher ist die Verteilung der unterschiedlichen Atomsorten nun völlig zufällig. „Da können zwei Eisenatome nebeneinandersitzen, die Plätze daneben sind von Vanadium oder Aluminium besetzt, und es gibt keine Regel mehr, die vorschreibt, an welchen Orten im Kristall wieder das nächste Eisenatom zu finden ist“, erklärt Bauer.

Durch diese Mischung aus Regelmäßigkeit und Unregelmäßigkeit der Atomanordnung verändert sich auch die elektronische Struktur, die bestimmt, wie sich Elektronen im Festkörper bewegen. „Die elektrische Ladung bewegt sich dann auf eine andere Weise durch das Material, sodass sie von Streuprozessen geschützt ist. Man spricht hier von sogenannten Weyl-Fermionen“, sagt Ernst Bauer. Auf diese Weise erreicht man einen sehr geringen elektrischen Widerstand. Gitterschwingungen hingegen, die die Wärme von Orten hoher zu Orten niedriger Temperatur transportieren, werden durch diese Unregelmäßigkeiten im Kristallaufbau gestört. Die Wärmeleitfähigkeit sinkt. Das ist wichtig, wenn aus einem Temperaturunterschied dauerhaft elektrische Energie gewonnen werden soll – denn wenn Temperaturunterschiede sehr schnell ausgeglichen werden könnten, hätte bald das gesamte Material überall dieselbe Temperatur und der thermoelektrische Effekt käme zum Erliegen.

Strom für das „Internet of Things“

„Eine derart dünne Schicht kann natürlich keine beliebig großen Energiemengen generieren – aber dafür ist sie extrem kompakt und anpassungsfähig“, sagt Ernst Bauer. „Wir wollen damit eine Energieversorgung für Sensoren und kleine elektronische Anwendungen ermöglichen.“ Der Bedarf dafür wird immer größer: Im „Internet of Things“ werden unterschiedlichste Geräte online miteinander verknüpft, damit sie ihr Verhalten automatisch aufeinander abstimmen. Besonders zukunftsträchtig ist das in großen Produktionsanlagen, wo eine Maschine dynamisch auf den Zustand der anderen reagieren soll.

„Wenn man in einer Fabrik eine große Anzahl an Sensoren benötigt, kann man die nicht alle verkabeln, das würde irgendwann ein unüberblickbares Chaos ergeben“, meint Bauer. „Viel klüger ist es, wenn sich die Sensoren ganz von selbst mit Energie versorgen, etwa über ein kleines, effizientes thermoelektrisches Element, dass die Abwärme einer Maschine nutzt. Damit kann auch gleich ein kleiner Prozessor betrieben werden, der die Daten auswertet und dann per WLAN zur zentralen Steuereinheit schickt.“

Genau diesen Markt soll das neue thermoelektrische Material nun voranbringen. Die Forschungsarbeiten finden im Rahmen des Christian-Doppler-Labors für Thermoelektrizität an der TU Wien statt. Unternehmenspartner ist die Firma AVL Graz, wissenschaftliche Partner das „National Institute of Material Science, NIMS“, Japan und der „Chinese Academy of Sciences“, China. Gemeinsam mit dem Unternehmenspartner wurden bereits zwei Patente eingereicht – mit Unterstützung der Forschungs- und Transfersupports der TU Wien. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
B. Hinterleitner et al., Thermoelectric performance of a metastable thin-film Heusler alloy, Nature (2019)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Intelligente Kniebandage soll künftig bei Arthrose entlasten

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 07.11.2019

Sportwissenschaftler, Mediziner, Informatiker und Industriepartner entwickeln einen mit Sensoren bestückten Prototyp, der mit selbstlernenden Algorithmen Belastungen einschätzen soll

Die intelligente Kniebandage „Anthrokinemat“ soll Arthrose-Patientinnen und -Patienten künftig bei der richtigen Dosierung ihrer alltäglichen Bewegungen unterstützen. Dabei werden sämtliche relevanten Daten zur Belastung der Gelenke gesammelt und aufs Handy der Betroffenen übertragen. Die Grundlagen für die Entwicklung der Bandage haben in den vergangenen drei Jahren Sportwissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mit Fördermitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) geschaffen. Partner sind die Universität Bremen sowie der Bandagen-Hersteller Bauerfeind und das Sensortechnikunternehmen ITP. In einem zweiten Forschungsprojekt soll nun ein Prototyp entwickelt werden.

„Bei der Prävention und der Behandlung einer Arthrose-Erkrankung spielt außer Gewicht und Ernährung vor allem das richtige Maß an Bewegung eine wichtige Rolle“, sagt Sportorthopäde Professor Stefan Sell vom Institut für Sport und Sportwissenschaft (IfSS) des KIT. Dieses richtige Maß zu finden, sei allerdings keine einfache Aufgabe und nur wenige Menschen und gut austrainierte Sportlerinnen und Sportler könnten die Signale ihres Körpers ohne fachliche Unterstützung richtig deuten. Der mit zahlreichen Sensoren ausgestattete Anthrokinemat soll Arthrose-Patientinnen und -Patienten deshalb vor dem Überschreiten der Belastungsgrenze per Warnsignal aufs Handy für mögliche Folgeschäden sensibilisieren. „Wer an Arthrose leidet, sollte sich am besten jeden Tag eine gewisse Zeit lang intensiv bewegen“, rät Sell. Eine übermäßige Belastung wie etwa eine mehrstündige Wanderung könne dagegen für Stress in den geschädigten Gelenken sorgen. Die Folge solcher Überbelastung seien oft wochenlange Schmerzen.

Maschinelles Lernen: Algorithmen trainieren mit Bewegungsdaten

Als größte Herausforderung bei der bisherigen Entwicklung der Bandage bezeichnet Professor Thorsten Stein, Leiter des BioMotion Centers am IfSS, die Suche nach einem passenden Algorithmus zum Quantifizieren der Kniebelastung. „Die Sensoren können lediglich Bewegung messen, nicht die Belastung an sich. Bei der Arthrose dürfen die Gelenke aber nicht allzu stark belastet werden – und deshalb müssen wir die Kräfte im Innern des Knies möglichst genau einschätzen können“, betont Stein. Zur Lösung dieses Problems sind Algorithmen des Maschinellen Lernens – künstliche neuronale Netze – im Einsatz. Dabei wird ein Algorithmus mit Bewegungsdaten trainiert: Der Algorithmus lernt im Laufe des Trainingsprozesses automatisch die mit einer Bewegung einhergehenden Kräfte im Knie zu schätzen. Teile dieser Forschungsergebnisse haben die Arbeitsgruppen von Sell und Stein bereits in der Fachzeitschrift Sensors publiziert.

„Die Arthrose ist eine echte Volkserkrankung“, sagt Stefan Sell. Laut den offiziellen Statistiken haben in Deutschland rund 35 Millionen Menschen radiologische Zeichen einer Arthrose und rund zehn Millionen davon sind manifest erkrankt. Weil der Gelenkverschleiß mit steigendem Alter zunimmt, leidet jeder vierte Bundesbürger über 50 Jahre und etwa 80 Prozent der über 75-Jährigen an einer Arthrose. Am häufigsten betroffen ist die Wirbelsäule, ebenfalls weit verbreitet sind Arthrosen an Knie- und Hüftgelenk. (eki)

Publikation:
Bernd J. Stetter, Steffen Ringhof, Frieder C. Krafft, Stefan Sell, Thorsten Stein: Estimation of Knee Joint Forces in Sport Movements Using Wearable Sensors and Machine Learning. Sensors, 2019. DOI: 10.3390/s19173690.

Externer Link: www.kit.edu