Roboter statt Rücken: Was ein Betondruckexperiment über k...

Menschen bei körperlicher Arbeit bücken sich. Das ist keine neue Erkenntnis. Aber wie viel — und wo genau die Belastung entsteht — das war bislang kaum messbar. Ein Laborexperiment in Braunschweig hat das geändert.

Die Frage, die bei körperlicher Arbeit unbeantwortet bleibt

Wer körperlich arbeitet, kennt das Bild: Material auf Bodenniveau bearbeiten, Elemente einlegen, montieren, fixieren. Rücken gebeugt, Becken nach hinten gekippt, Schultern vorn. Nicht eine Minute, nicht zehn — sondern über Stunden.

Was das langfristig mit der Wirbelsäule macht, lässt sich intuitiv erahnen. Objektiv messen ließ es sich lange nicht. Nicht während der Arbeit. Nicht in dem Moment, in dem die Last entsteht.

Konventionelle Bewegungsanalyse — die Art, die in Laboren mit reflektierenden Markern und Kamerafeldern funktioniert — scheitert, sobald das Setting unübersichtlich wird. Zu viele Hindernisse, zu viel Bewegung im Raum, zu viel Kleidung. Und selbst wenn man die Kamera aufstellt: Sie sieht den Kopf. Sie sieht die Schultern. Was zwischen Sakrum und T6 passiert, bleibt blind.

Das änderte sich mit einem Experiment an der Technischen Universität Braunschweig, publiziert 2026 im Fachjournal Construction Robotics.

Zwei Wege, einen Betonträger zu bauen

Das Team um Bartłomiej Sawicki verglich zwei Fertigungsprozesse für bewehrte Betonelemente — methodisch, mit Arbeitern, in einem kontrollierten Laborumfeld der TU Braunschweig.

Prozess 1: Konventioneller Stahlbetonbau. Die Arbeiter bauten Schalung auf, legten Bewehrungseisen ein, gossen Beton, bauten die Schalung wieder ab. All das auf Bodenniveau. Der Rücken war über weite Teile der Arbeit in gebeugter Position.

Prozess 2: SC3DP — Shotcrete 3D Printing. Ein Roboterarm übernahm das eigentliche Spritzen des Betons. Er trug den Beton Schicht für Schicht auf, ohne Schalung, ohne Formwork. Die Arbeiter verankerten Bewehrungselemente in den frisch gedruckten Schichten — in einer Arbeitshöhe, die ergonomisch günstiger war. Ein dedizierter Pilot bediente den Roboterarm von einem Kontrollraum aus.

Beide Teams produzierten je einen Betonträger. Die Forscher maßen alles, was sich messen ließ: Herzfrequenz, Blutlaktat, Hauttemperatur per Infrarotkamera, zurückgelegte Strecke, getragenes Gewicht, empfundene Anstrengung — und die Haltung der Wirbelsäule.

Was sieben Vicon-Kameras nicht leisten konnten

Für die Bewegungsanalyse war im Digital Building Fabrication Laboratory ein aufwändiges Setup im Einsatz: sieben synchronisierte Hochgeschwindigkeitskameras des Typs Vicon Valkyrie VK16. Solche Systeme gelten in der Biomechanik als Referenzstandard. Sie erfassen reflektierende Marker mit Sub-Millimeter-Präzision und sind in Laboren weltweit im Einsatz.

In diesem Experiment hatten sie eine klare Aufgabe: die zurückgelegte Strecke der Arbeiter zu erfassen. Das funktionierte. Marker auf den Helmen der Arbeiter lieferten zuverlässige Trackingdaten für die Lokomotion.

Was sie nicht lieferten: die Haltung der Wirbelsäule.

Dafür gibt es einen strukturellen Grund. Vicon-Systeme messen die Position von Punkten im Raum — reflektierende Marker auf der Oberfläche. Um Wirbelkörper-Winkel zu rekonstruieren, müsste man Marker direkt auf den anatomischen Strukturen der Wirbelsäule platzieren können, dicht genug, um jeden Segment-zu-Segment-Winkel aufzulösen. Das geht nicht. Der Rücken ist bedeckt. Die Marker sitzen auf Kleidung oder Haut, nicht auf Dornfortsätzen. Und in einer dynamischen Versuchsumgebung ist die Sichtlinie zwischen Marker und Kamera ohnehin nicht dauerhaft gewährleistet.

Das spinalbiomechanische Kernergebnis der Studie — jenes 60 %-Gefälle in der Rückenbelastung — kam nicht aus dem Vicon-System. Es kam aus einem 30-Gramm-Sensor, der unter dem Shirt getragen wurde.

Wie der FlexTail® im Experiment misst

Der FlexTail® ist ein flexibler Sensorstreifen aus PET-Folie, der entlang der Wirbelsäule in einem Kompressionsshirt sitzt. 36 gedruckte Dehnungsmessstreifen-Paare messen kontinuierlich die lokale Krümmung an 18 Punkten — von Sakrum bis in die obere Brustwirbelsäule. Ein IMU am Sakrum verankert die Form im Schwerkraftkoordinatensystem.

Das entscheidende Messprinzip: Der Sensor misst Krümmung direkt. Kein Integral, keine akkumulierende Drift. Wenn die Wirbelsäule sich beugt, misst das System die Biegung am Ort, in dem Moment, in dem sie entsteht.

Was herauskommt, ist keine abstrakte Neigungsangabe. Es sind 3D-Koordinaten für jedes der 18 Segmente, zeitgestempelt, kontinuierlich — ob jemand sich 20 Minuten lang bückt oder einmal kurz zur Seite dreht.

Im Braunschweiger Versuch trugen die Teilnehmer diesen Sensor während beider Produktionsprozesse. Er lief unter dem normalen Shirt, ohne die Arbeit zu behindern, ohne dass Kameras Sichtlinie brauchten, ohne dass Marker auf Bodenniveau verloren gehen konnten.

Das Ergebnis: 60 % weniger Zeit in gebückter Haltung

Der Unterschied zwischen den beiden Prozessen war deutlich.

Im konventionellen Betonbau verbrachten die Teilnehmer lange Phasen in gebeugter Haltung — vor allem während der Schalungsarbeiten, die auf Bodenniveau ausgeführt wurden. Vorwärtsflexion der Lendenwirbelsäule, kombiniert mit axialer Rotation nach links, über ausgedehnte Zeitspannen hinweg.

Im SC3DP-Prozess entfiel genau dieser Teil der Arbeit. Der Roboter übernahm den Betonauftrag. Die Teilnehmer interagierten mit dem gedruckten Element in einer Höhe, die weniger Rückenbeugung erforderte. Die Zeit in unbequemer Wirbelsäulenstellung sank um 60 %.

Gleichzeitig veränderte sich etwas anderes: Die Produktivität stieg. Die Fertigungszeit sank um 63 %. Das getragene Gewicht reduzierte sich um 44 %. Die zurückgelegte Strecke fiel um 37 %. Die wahrgenommene Anstrengung auf der Borg-Skala und das NASA-TLX-Belastungsmaß sanken um je 63 %.

Der Körper der Teilnehmer leistete objektiv weniger — und das Ergebnis war trotzdem besser und schneller.

Was die physiologischen Messwerte zeigen — und was nicht

Was die Forscher fanden, war nicht das, was viele erwarten würden: Herzfrequenz und Blutlaktat unterschieden sich zwischen den beiden Prozessen nicht signifikant.

Das ist ein wichtiger Befund. Er zeigt, dass die klassischen physiologischen Belastungsindikatoren die Haltungsbelastung nicht abbilden. Wer stundenlang gebückt arbeitet, zeigt im Kreislauf keine anderen Werte als jemand, der in ergonomisch günstigerer Position tätig ist — aber die Wirbelsäule trägt eine fundamental andere Last.

Kardiovaskuläre Marker sagen nichts über muskuloskelettales Risiko. Muskelermüdung durch statische, isometrische Haltearbeit an der Wirbelsäule hinterlässt im Kreislauf keine direkte Spur. Wer körperliche Belastung allein über Herzfrequenz beurteilt, übersieht genau jene Belastungsform, die die meisten Rückenprobleme verursacht.

Die Wirbelsäulenmessung ist nicht ein weiteres Signal unter vielen. Sie ist die einzige Methode, mit der diese spezifische Belastung sichtbar wird.

Was das für körperliche Arbeit bedeutet

Branchen mit hoher körperlicher Belastung gehören zu den Sektoren mit den höchsten Raten an Muskel-Skelett-Erkrankungen. Die SPINE20-Empfehlungen 2025 — herausgegeben vom globalen Netzwerk von 38 Wirbelsäulengesellschaften — nennen Bau, Bergbau und Logistik explizit als Hochrisikobereiche, mit repetitivem Heben, Bücken, Drehen und statischen Haltungen als primären Risikofaktoren.

Bislang fehlte das Werkzeug, diese Belastungen in realen Arbeitsabläufen systematisch zu quantifizieren. Beobachtungsmethoden sind anfällig für den Hawthorne-Effekt: Wer beobachtet wird, verhält sich anders. Kamerabasierte Systeme brauchen Sichtlinie und kontrollierte Umgebungen. IMU-Systeme driften über Schichten hinweg und können nicht auflösen, wo in der Wirbelsäule die Flexion entsteht.

Das Braunschweiger Experiment zeigt, dass ein 30 Gramm schwerer Sensor unter dem Shirt genau das liefert, was Ergonomieforschung in diesem Bereich braucht: kontinuierliche, segmentale, driftfreie Wirbelsäulenmessung — in einer Umgebung, in der sieben Laborkameras das entscheidende Ergebnis nicht liefern konnten.

Fazit

Technologische Assistenz bei körperlicher Arbeit wird oft durch die Linse von Produktivität diskutiert. Wie schnell geht es? Was kostet es?

Das Braunschweiger Experiment legt eine andere Frage nahe: Was macht es mit den Menschen, die dabei arbeiten?

Die Antwort — in diesem Fall — war klar. Weniger getragenes Gewicht, weniger zurückgelegte Strecke, weniger Zeit in gebückter Haltung, weniger empfundene Belastung. Und das, obwohl keine der physiologischen Standardmessungen einen Unterschied anzeigte. Die Wirbelsäulenmessung allein hat das Bild vervollständigt.

Branchen mit hoher körperlicher Beanspruchung haben eine der schwersten Rückenbelastungen aller Berufsgruppen — und gleichzeitig den geringsten Zugang zu belastbaren biomechanischen Daten über das, was diese Belastung tatsächlich ausmacht. Beide Probleme haben jetzt eine gemeinsame Antwort.

Quellen

Sawicki B, Düking P, Placzek G, Masur L, Dörrie R, Schwerdtner P, Kloft H. Human–robot collaboration in digital fabrication with concrete: quantifying productivity and psychophysiological strain of human workers. Construction Robotics. 2026;10:4. DOI: 10.1007/s41693-025-00173-x
SPINE20. SPINE20 Recommendations to the G20 Group: "Sustainable Spine Care for All". SPINE20 Global Spine Alliance; 2025. Approved at the SPINE20 Summit, Cape Town, October 10–11, 2025. Available at: https://spine20.net
Masch A, Walkling J, Sander L, Deserno TM. Evaluating FlexTail: A Wearable Device for Spinal Posture Tracking. Biomedical Engineering / Biomedizinische Technik. 2025; ahead of print (under peer review).

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