Projektdaten auf einen Blick:

• Projekt: Entwicklung einer sensorbasierten Schuhsohle zur Echtzeit-Analyse der Druckverteilung beim Laufen
• Team: Konstantin, Lous, Steven, Bryen (Hildegardis-Gymnasium Bochum)
• Technologien: Drucksensoren, Mikrocontroller, Onshape (CAD), 3D-Druck, Kodular (App-Entwicklung), Bluetooth
• Einsatzbereich: Sportwissenschaft, Medizintechnik, Ergonomie & Verletzungsprävention

Die Idee: Prävention von Fehlbelastungen beim Laufen

Im Rahmen eines technischen Oberstufenprojekts entwickelte ein vierköpfiges Schülerteam des Hildegardis-Gymnasiums Bochum (Konstantin, Lous, Steven und Bryen) eine intelligente Schuhsohle zur Echtzeit-Lauftechnikanalyse. Ziel des Vorhabens war es, fehlerhafte Belastungen beim Laufen frühzeitig zu erkennen und Sportverletzungen gezielt vorzubeugen.

Durch den Einsatz integrierter Sensorik erfasst die Sohle die individuelle Druckverteilung des Fußes während der Auftrittsphase. Langfristig bietet dieses System insbesondere Laufanfängerinnen und Laufanfängern eine wertvolle Hilfestellung, um das persönliche Abrollverhalten zu optimieren und Fehlstellungen – wie etwa einen Plattfuß oder eine Überpronation – rechtzeitig zu identifizieren. Damit verbindet das Projekt aktuelle Fragestellungen der Medizintechnik, Sportwissenschaft und Sensorentwicklung.

Technische Umsetzung: Von der Hardware bis zur App

Für die Realisierung ihres Prototyps kombinierte das Team Hardware-Entwicklung, 3D-Druck und Software-Programmierung:

• Sensorik & Druckmessung: Unterhalb der Schuhsohle installierte die Gruppe flexible Drucksensoren. Je stäker die Belastung an einer spezifischen Stelle des Fußes beim Auftreten ist, desto höher fällt der Messwert aus.
• Mikrocontroller & 3D-Druck-Gehäuse: Steuerung und Datenverarbeitung übernimmt ein kompakter Mikrocontroller. Um die Elektronik beim Laufen vor Stößen zu schützen, konstruierte das Team mit der CAD-Software Onshape ein maßgefertigtes Gehäuse, das im 3D-Drucker gefertigt und mit einem Band am Unterschenkel befestigt wird.
• App-Entwicklung & Live-Visualisierung: Über die Plattform Kodular programmierte die Gruppe eine eigene Smartphone-App. Die Messdaten werden via Bluetooth in Echtzeit an das Smartphone übertragen. Neben Schrittanzahl und Trainingsdauer visualisiert die App die exakte Druckverteilung im Fuß.

Zukunftsvision: Langfristig soll die Anwendung die Daten automatisiert biologisch auswerten, um Fehlstellungen wie Supination oder Überpronation eigenständig zu diagnostizieren.

Eigenständiger Kompetenzaufbau in MINT-Fächern

Ein herausragendes Merkmal dieses Projekts ist die hohe Selbstständigkeit der Schüler. Ohne tiefgehende Vorkenntnisse in den Bereichen Informatik oder Elektronik erarbeitete sich die Gruppe alle notwendigen Grundlagen eigenständig über Fachliteratur, Online-Tutorials und Erklärvideos:

1. Praktische Elektronik & Software: Erlernen von Löttechniken, Schaltungsaufbau und Programmierung.
2. Anatomie & Biomechanik: Intensive Recherche zum menschlichen Fußaufbau sowie zu unterschiedlichen Abroll- und Laufstilen.
3. Projektdokumentation: Lückenlose Erfassung aller Skizzen, Materiallisten und Entwürfe in einem digitalen Logbuch.

Hürden & Engineering-Challenges im Entwicklungsprozess

Prototypenentwicklung geht selten ohne technische Herausforderungen einher. Das Team zeigte während des Projekts ein hohes Maß an Problemlösungskompetenz und Resilienz:

• Software-Verlust: Nach einem Monat Entwicklungszeit wurde die bereits fertige App durch ein Plattform-Problem bei Kodular unwiederbringlich gelöscht. Das Team musste die Anwendung komplett neu aufbauen – eine lehrreiche Erfahrung bezüglich Datensicherung und Versionierung.
• Hardware-Kopplung: Bei der Bluetooth-Übertragung traten zeitweise Entkopplungen auf, oder die Sensoren lieferten Nullwerte.
• Mechanische Empfindlichkeit: Die hauchdünnen Drucksensoren fielen durch die starken Belastungen beim Laufen teilweise aus. Als Lösungsansatz evaluierte das Team das Einbetten der Sensoren in flüssiges Silikon.

Fazit & Ausblick

Am Ende der Projektlaufzeit präsentierte die Gruppe einen voll funktionsfähigen Prototyp. Die intelligente Schuhsohle misst zuverlässig Druckdaten und überträgt diese übersichtlich an die entwickelte App.

Das Projekt zeigt eindrucksvoll, wie Schülerinnen und Schüler Technologien aus den Bereichen Sensorik, Mikrocontrollertechnik, App-Entwicklung und 3D-Druck erfolgreich kombinieren können, um praxisnahe Lösungen für die Gesundheit von morgen zu entwickeln.

Projektdaten auf einen Blick:

• Projekt: Entwicklung eines tragbaren, sensorbasierten Frühwarnsystems zur Überwachung von Vitaldaten beim Sport
• Team: Charlotte, Madleine (Hildegardis-Gymnasium Bochum)
• Technologien: Arduino (Mikrocontroller), Pulssensor, Stretch-Sensor (Dehnungssensor), LED-Ring, 3D-Druck, Canva
• Einsatzbereich: Medizintechnik, Embedded Systems, Sportwissenschaft & Prävention

Die Idee: Rechtzeitige Warnung vor Asthmaanfällen beim Sport

Wie können Menschen mit chronischen Lungenerkrankungen wie Asthma während sportlicher Aktivitäten frühzeitig vor gesundheitlich kritischen Situationen gewarnt werden? Mit dieser Fragestellung beschäftigte sich ein zweiköpfiges Projektteam des Hildegardis-Gymnasiums Bochum im Rahmen eines technischen Oberstufenprojekts.

Ziel der Entwicklung war ein tragbares Warnsystem (Wearable), das verschiedene Vitaldaten kontinuierlich überwacht und die Trägerin oder den Träger rechtzeitig auf kritische Veränderungen aufmerksam macht – noch bevor ein Asthmaanfall oder eine akute Beeinträchtigung eintritt. Da beim Sport die körperliche Belastung stark ansteigt und bislang kaum alltagstaugliche Assistenzsysteme existieren, griffen die Schülerinnen Charlotte und Madleine eine hochaktuelle Fragestellung aus den Bereichen Medizintechnik, Sensorik und Embedded Systems auf.

Technische Umsetzung: Intelligentes Messsystem mit Arduino

Für ihren Prototypen entwickelten die Schülerinnen ein tragbares System, das mehrere Sensortypen und Ausgabemedien miteinander kombiniert:

• Multisensorik: Das System kombiniert einen Pulssensor, einen Sensor zur Messung der Sauerstoffsättigung sowie einen unterhalb des Brustkorbs befestigten Stretch-Sensor (Dehnungssensor) zur Erfassung der Atemfrequenz.
• Mikrocontroller & Hardware-Erweiterung: Als Steuereinheit dient ein Arduino-Mikrocontroller. Da die Standard-Anschlüsse des Boards nicht ausreichten, erweiterten die Schülerinnen die Hardware eigenständig um zusätzliche Stromanschlüsse. Die mobile Energieversorgung erfolgt über eine Powerbank.
• Visuelles Warnsystem & Display: Ein integriertes Display zeigt Kennzahlen wie BPM (Beats per Minute), Atemfrequenz und Sensorstatus an. Als zentrales Warnsignal fungiert ein LED-Ring: Bei normalen Werten leuchtet er grün, bei Überschreiten individueller Grenzwerte (z. B. Puls über 180 BPM) wechselt er auf Rot.
• 3D-Druck-Gehäuse: Zum Schutz der empfindlichen Elektronik konstruierte das Team ein maßgefertigtes Gehäuse, das im 3D-Druckverfahren hergestellt und komfortabel am Arm getragen werden kann.

Medizinische Logik: Die Schwellenwerte für Warnmeldungen wurden nicht pauschal definiert, sondern anhand von Parametern wie Körpergröße und Gewicht individuell berechnet und im Programmcode hinterlegt.

Eigenständiger Kompetenzaufbau & Iteration

Die Projektarbeit erforderte von den beiden Schülerinnen eine steile Lernkurve im MINT-Bereich. Ohne tiefe Vorkenntnisse arbeiteten sie sich selbstständig in neue Fachgebiete ein:

1. Hardware-Entwicklung: Aneignung von Löttechniken und Schaltungsaufbau.
2. Software & Logik: Einarbeitung in die C/C++-basierte Arduino-Programmierung sowie die Integration medizinischer Richtwerte.
3. Design-Iterationen: Nach ersten Entwürfen in Canva passten die Schülerinnen ihr Konzept schrittweise von einem unauffälligen Armband zu einem größeren, funktionalen Gehäuse-Prototypen an.

Hürden & Engineering-Challenges im Entwicklungsprozess

Bei der Entwicklung medizinischer Prototypen traten verfahrensbedingte und technische Herausforderungen auf, die ein hohes Maß an Problemlösungskompetenz erforderten:

• Hardware-Beschädigungen beim Löten: Durch fehlende Löterfahrung wurden in der Anfangsphase ein Dehnungssensor sowie ein LED-Ring beschädigt und mussten ersetzt werden.
• Anspruchsvolle Dehnungsmessung: Die zuverlässige Signalerfassung der Atemwegsbewegung unter dynamischer Belastung erwies sich als äußerst komplex, da der Stretch-Sensor nach der Montage schwankende Messwerte lieferte.
• Projektpriorisierung & Zeitmanagement: Ursprünglich geplante Features – wie die Einbindung einer App über Kodular und die vollständige Auswertung der Sauerstoffsättigung – wurden aufgrund des engen Zeitrahmens zugunsten der Kernfunktionen zurückgestellt.

Fazit & Ausblick

Am Ende der Projektlaufzeit präsentierten Charlotte und Madleine einen funktionsfähigen Prototypen. Das System erfasst zuverlässig den Puls, stellt Messwerte auf dem Display dar und steuert den visuellen LED-Warnring präzise an.

Auch wenn die Erfassung der Atemdynamik unter Sportbelastung noch weitere Iterationen erfordert, liefert das Projekt ein solides Fundament für zukünftige Entwicklungen. Es verdeutlicht eindrucksvoll das Potenzial und die Komplexität moderner Assistenzsysteme in der Gesundheitsüberwachung.

Projektdaten auf einen Blick:

• Projekt: Entwicklung einer intelligenten Android-App zur frühzeitigen Stresserkennung und digitalen Selbsttherapie
• Team: Limar, Sarah (Hildegardis-Gymnasium Bochum)
• Technologien: Android Studio (Java/Kotlin), Bluetooth LE, Polar OH1 Plus Herzfrequenzsensor, GoodNotes (UI/Icon-Design)
• Einsatzbereich: Digital Health, Gesundheitspsychologie, Präventionsmedizin & UX/UI-Design

Die Idee: Frühzeitige Stresserkennung statt reiner Datenerfassung

Ob Leistungsdruck in der Schule, berufliche Belastungen oder private Herausforderungen – körperliche Warnsignale für Stress werden häufig erst wahrgenommen, wenn die Belastung bereits ein hohes Maß erreicht hat. Mit dieser Problematik beschäftigte sich ein Projektteam des Hildegardis-Gymnasiums Bochum im Rahmen eines technischen Oberstufenprojekts.

Die Schülerinnen Limar und Sarah entwickelten ein app-basiertes System zur automatisierten Stresserkennung und aktiven Selbsttherapie. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fitness-Apps, die Gesundheitsdaten meist nur passiv aufzeichnen, soll die Anwendung bei erhöhter körperlicher Belastung frühzeitig und aktiv eingreifen. Das Projekt verbindet dadurch moderne Softwareentwicklung mit Erkenntnissen aus der Präventionsmedizin und Gesundheitspsychologie.

Software-Fokus: Professioneller Sensor statt eigener Hardware

Im Gegensatz zu anderen Projektgruppen entschied sich das Team bewusst gegen den Aufbau einer eigenen Arduino-Hardware. Die Begründung: Eigenbau-Messsysteme sind im Alltag oft zu sperrig, störanfällig oder durch Akkulaufzeiten eingeschränkt.

• Hardware-Integration: Das Team nutzte den kompakten Herzfrequenzsensor Polar OH1 Plus, der flexibel am Arm, Handgelenk oder Finger getragen werden kann. Über die Entwickler-Bibliothek des Herstellers liest die App die Herzfrequenzdaten in Echtzeit via Bluetooth aus.
• NATIVE App-Entwicklung: Die Anwendung wurde eigenständig in Android Studio programmiert. Auf eine iOS-Version wurde verzichtet, um den Fokus voll auf die systemnahe Funktionalität unter Android zu legen.

Funktionsumfang: Profil, Live-Analyse und Stresstagebuch

Bei der Entwicklung standen Praxistauglichkeit und wissenschaftliche Fundierung im Mittelpunkt:

• Automatische Warnung: Erkennt das System eine ungewöhnlich hohe Herzfrequenz über einen definierten Zeitraum (z. B. 11 Minuten), gibt die App gezielte Empfehlungen – wie geführte Atemübungen oder Ruhepausen.
• Wissenschaftlicher Austausch: Die Schwellenwerte und Interventionsmaßnahmen erarbeitete das Team anhand medizinischer Fachliteratur sowie in Rücksprache mit einem Elternteil aus dem medizinischen Bereich.
• Integriertes Stresstagebuch: Nutzerinnen und Nutzer können Stressursachen kategorisieren (z. B. psychischer Stress, Leistungsdruck, körperliche Belastung), um langfristig individuelle Muster zu erkennen.

Benutzerfreundlichkeit, Farbpsychologie & Barrierefreiheit

Besonderes Augenmerk legten Limar und Sarah auf ein zugängliches und intuitives UX/UI-Design:

1. Eigenes Icon-Design: Sämtliche App-Icons wurden von den Schülerinnen in GoodNotes handgezeichnet und digital aufbereitet.
2. Farbpsychologische Führung: Beruhigende Farbtöne signalisieren den Normalzustand, während gezielte rote Akzente auf erhöhte Belastung aufmerksam machen.
3. Barrierefreiheit & Testing: Ein integriertes Glossar erklärt medizinische Fachbegriffe (z. B. Reizüberflutung) in einfacher Sprache. Die Usability wurde im Vorfeld unter anderem mit Familienangehörigen getestet.

Hürden & Engineering-Challenges im Entwicklungsprozess

Auch in der Softwareentwicklung erfordert der Projektverlauf kontinuierliches Anpassen und Priorisieren:

• Scope Management: Der ursprünglich geplante Funktionsumfang (z. B. eine dynamische Anpassung des App-Designs an die Gemütslage) wurde zugunsten einer stabilen Kernfunktionalität fokussiert.
• Bluetooth-Schnittstelle: Die Anbindung der Herstellerschnittstelle erforderte eine intensive Einarbeitung in die Bluetooth-Kommunikation in Android Studio.
• Live-Testing: Ein kurzzeitiger Verbindungsausfall während der Abschlusspräsentation unterstrich die Bedeutung robuster Fehlerbehandlung in der Softwareentwicklung.

Fazit & Ausblick

Mit ihrem voll funktionsfähigen Prototypen zeigten Limar und Sarah eindrucksvoll, welches Potenzial in mobilen Gesundheitsanwendungen steckt. Die gelungene Verbindung aus präziser Datenerfassung, visueller Aufbereitung und barrierefreier Interaktion bildet eine starke Grundlage für zukünftige digitale Präventionsansätze.

Projektdaten auf einen Blick:

• Projekt: Entwicklung eines kostengünstigen, digitalen Fitness-Trackers für den Sportunterricht
• Team: Silas, Klaus, Dino (Hildegardis-Gymnasium Bochum)
• Technologien: Pulsoximeter-Sensor, Arduino, Bluetooth Low Energy (BLE), NiMH-Akkus, Onshape (CAD), 3D-Druck, Android-App, KI-gestützte Code-Optimierung
• Einsatzbereich: Schulsport, Sportwissenschaft, Sensorentwicklung & Mobile Dev

Die Idee: Objektive Leistungserfassung im Sportunterricht

Wie lassen sich sportliche Leistungen objektiver erfassen und Trainingsfortschritte im Unterricht besser dokumentieren? Während Pulsmessungen im Schulsport bislang häufig manuell erfolgen und nur Momentaufnahmen liefern, beschäftigte sich ein dreiköpfiges Schülerteam des Hildegardis-Gymnasiums Bochum mit einer digitalen Lösung.

Die Schüler Silas, Klaus und Dino entwickelten einen kostengünstigen und einfach zu bedienenden Fitness-Tracker, der speziell für den Einsatz im Schulunterricht konzipiert ist. Durch die digitale Erfassung von Puls- und Blutsauerstoffwerten können Lehrkräfte genaue Auswertungen vornehmen, individuelle Trainingspläne erstellen und sportliche Fortschritte langfristig nachverfolgen.

Technische Umsetzung: Embedded Hardware, 3D-Druck & Sichere Stromversorgung

Das Team kombinierte verschiedene Disziplinen aus der Hardware- und Softwareentwicklung zu einem praxistauglichen Gesamtsystem:

• Sensorik & Mikrocontroller: Ein Pulsoximeter-Sensor liefert die Messdaten an ein Arduino-basiertes Board. Da dieses von Standard-Modellen abwich, passten die Schüler Bibliotheken und Hardware-Code eigenständig an.
• Sicherheitsorientiertes Akkukonzept: Statt potenziell gefährlicher Lithium-Polymer-Akkus wählten die Schüler sichere Nickel-Metallhydrid-Akkus (NiMH), um störende Kabel oder Powerbanks zu vermeiden und den Tracker alltagstauglich zu gestalten.
• 3D-Druck-Gehäuse: Das maßgefertigte Gehäuse wurde mit der CAD-Software Onshape konstruiert, im 3D-Drucker gefertigt und mit einem gummierten Armband fixiert, das Verrutschen bei Bewegung verhindert.

Android-App, Entkopplungsschutz & KI-gestützte Programmierung

Parallel zur Hardware entstand eine eigene Android-Anwendung, die über Bluetooth Low Energy (BLE) mit dem Tracker kommuniziert:

• Intelligentes Speicherkonzept (Fetch Data): Um Datenverluste bei Abreißen der Bluetooth-Verbindung auf der Laufstrecke zu verhindern, speichert der Tracker Messwerte lokal ab. Diese können nach dem Training gesammelt via „Fetch Data“ an das Smartphone übertragen werden.
• Einsatz von Künstlicher Intelligenz: Bei der Erstellung des Bluetooth-Codes, der Fehlersuche und der Entwicklung von Sensordaten-Filtern nutzte das Team KI-Systeme als unterstützendes Werkzeug zur Optimierung des Codes.
• Spezialisierte Teamarbeit: Durch eine klare Rollenverteilung – Hardware/Sensorik, CAD/3D-Druck sowie App-Entwicklung – schuf das Team Synergien und verband heterogene Disziplinen.

Hürden & Engineering-Challenges im Entwicklungsprozess

Der Bau eines Sport-Trackers brachte praxisnahe Entwicklungsherausforderungen mit sich:

• Bewegungsartefakte bei der Messung: Während die Pulsmessung im Ruhezustand präzise Werte lieferte, führten die mechanischen Erschütterungen beim Laufen zu Messabweichungen der optischen Sensoren.
• Hardware-Defekt: Der Blutsauerstoffsensor wies durch einen Defekt statische Werte auf und konnte für den Prototyp nicht dynamisch ausgewertet werden.
• Einstieg in die App-Entwicklung: Die Einarbeitung in eine neue Programmiersprache sowie die strukturierte Code-Dokumentation für wöchentliche Projekttage erforderten eine hohe Selbstorganisation.

Fazit & Ausblick

Am Ende des Projekts präsentierten Silas, Klaus und Dino einen funktionsfähigen Prototypen. Die entwickelte Android-App verbindet sich stabil über BLE, visualisiert Messdaten übersichtlich und nutzt das lokale Speicherkonzept zuverlässig.

Auch wenn dynamische Echtzeitmessungen während des Sprintens weitere Sensor-Iterationen erfordern, eignet sich das System bereits hervorragend für Vorher-Nachher-Vergleiche vor und nach Laufeinheiten im Sportunterricht.