University of York

Als Associate Professor Elena Geangu vom Fachbereich Psychologie der University of York und ihr interdisziplinäres Team aus Psychologen, Ingenieuren, Informatikern und Mathematikern erfuhren, dass sie erfolgreich eine Finanzierung für die Entwicklung ihres Konzepts, der EgoActive-Plattform, erhalten hatten, gab es Grund zur Freude.

Die EgoActive-Plattform war ihr bahnbrechendes Konzept für ein kompaktes Überwachungssystem mit Herzsensor und am Kopf montierter Kamera, das der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine einzigartige Möglichkeit bietet, die Interaktion eines Babys mit der Welt in seiner natürlichen Umgebung aufzuzeichnen und zu bewerten, anstatt in einem Labor oder einer klinischen Umgebung.

Diese Arbeit ist unglaublich wichtig. Die Untersuchung von Babys in ihrer natürlichen Umgebung gibt uns Aufschluss darüber, wie das menschliche Gehirn reift und wie wir uns zu den Erwachsenen entwickeln, die wir sind und wie wir funktionieren. Diese Informationen können für praktische Zwecke genutzt werden, z. B. um zu verstehen, was passiert, wenn die Entwicklung nicht dem typischen Muster folgt - die Untersuchung verschiedener Störungen und welche Faktoren in der natürlichen Umgebung zu diesem Ergebnis beigetragen haben könnten. Dieses Wissen kann auf ein breites Spektrum von Störungen angewandt werden, zum Beispiel auf Kinder, die Angststörungen, Verhaltensstörungen, Autismus und andere kognitive Beeinträchtigungen entwickeln. Neben der Behandlung von Störungen können diese Informationen auch für die pädagogische Praxis genutzt werden. Sie verraten uns, wie wir unsere Kinder effektiver erziehen können, damit sie bessere Lebenserfahrungen machen und letztlich in vielen Lebensbereichen wie Bildung, soziale Interaktion und Beruf bessere Ergebnisse erzielen.

Eine Finanzierungsmöglichkeit, um die EgoActive-Plattform von der Idee zur Umsetzung zu bringen, ergab sich durch das angesehene Programm First 1000 days (1kD) von Wellcome Leap. Ziel des 1kD-Programms ist es, die vielversprechendsten Forschungsprojekte im Bereich der kindlichen Entwicklung zu ermitteln und zu unterstützen, um ein besseres Verständnis der neurokognitiven Entwicklung eines Kindes in den ersten 1000 Lebenstagen zu erlangen.

Der Wettbewerb um die Teilnahme an dem mit 45 Millionen Dollar dotierten 1kD-Programm, das Wissenschaftlern aus aller Welt offen steht, ist hart. Hunderte von Forschergruppen haben sich beworben, aber nur zehn Projekte waren erfolgreich - das Team hinter der EgoActive-Plattform, das von der Universität York geleitet wird (und mit der Newcastle University und der Queen Mary University of London zusammenarbeitet), war eines von ihnen.

Für Elena und ihr Team war jedoch keine Zeit, sich auf ihren Lorbeeren auszuruhen. Mit einem Zeitrahmen von nur 12 Monaten, in dem sie die EgoActive-Plattform von Grund auf entwickeln mussten, tickte plötzlich die Uhr.

Die Plattform sollte aus integrierten drahtlosen, tragbaren Sensoren bestehen, mit denen die egozentrischen auditiv-visuellen Statistiken und die Funktion des autonomen Nervensystems des Kindes "in freier Wildbahn", d. h. in der natürlichen Umgebung des Kindes, erfasst werden.

Elena und ihr Team sahen sich zunächst nach handelsüblichen Geräten um, stellten aber bald fest, dass dies nicht möglich war, da die vorhandenen Geräte weder für kleine Kinder noch für ein Forschungsprojekt geeignet waren. Daher benötigten sie Unterstützung bei der Herstellung, um die Grenzen der vorhandenen Geräte zu überwinden und die EgoActive-Plattform für die Durchführung von Forschungsarbeiten außerhalb eines Labors geeignet zu machen.

Das Team konnte sein umfangreiches Fachwissen aus der Forschung in den Bereichen Entwicklungspsychologie und Neurowissenschaften, Informatik, Mathematik und Statistik sowie Biomedizintechnik einbringen. Es blieb jedoch eine Lücke in den für das Projekt erforderlichen Fachkenntnissen. Es fehlte an Fachwissen in den Bereichen Technik, Prototyping und Herstellung, um das Konzept zu verwirklichen.

Elena erklärt: "Mein Team hatte Erfahrung in der Zusammenarbeit mit biomedizinischen Ingenieuren, aber nicht mit Ingenieuren, die über ein solches Fachwissen verfügen wie Protolabs. Wir hatten eine Vorstellung davon, wie das Design auf der Grundlage unserer experimentellen Versuche aussehen sollte, aber wir brauchten externe Unterstützung, um den anfänglichen Prototyp auf eine Design-Ebene zu bringen, auf der er professionell hergestellt werden konnte. Wir kannten zwar die Merkmale der Elektronik und der in den Geräten enthaltenen Elemente, aber bei den Gehäusen wussten wir nicht, welche Materialien am besten geeignet waren, und wir hatten auch nicht das nötige Fachwissen, um sie bis ins kleinste Detail zu entwerfen.

“Das Projekt war nicht ohne Herausforderungen, da die tragbaren Geräte für Babys bestimmt sind. Wir mussten also sicherstellen, dass die Gehäuse in Bezug auf Design und Material richtig sind, da sie in direktem Kontakt mit der zarten Haut und dem zerbrechlichen Körper der Babys stehen. Außerdem mussten die Geräte sehr leicht, bequem und unauffällig sein, damit die Babys nicht merken, dass sie sie tragen. Zusätzlich hatten wir einen extrem engen Zeitplan, so dass wir auf schnelle Unterstützung angewiesen waren.”

An dieser Stelle kommt Protolabs ins Spiel, wie Elena weiter berichtet:

“Bei meiner Suche bevorzugte ich ein Unternehmen in der Nähe, das ich persönlich besuchen und mit dessen Experten ich die Anforderungen besprechen kann, da es sich um ein sehr wichtiges Produkt handelt und ich es auf diese Weise einfacher finde, zu arbeiten. Ich stieß auf Protolabs und nahm Kontakt auf. Von Anfang an hatte ich eine großartige Erfahrung. Shay Mason, meine erste Kontaktperson, brachte mich mit den Designingenieuren Dom Corpuz und Tom Rowland vom Protolabs Designberatungsservice in Verbindung. Es war sehr hilfreich, mit ihnen zu sprechen, und sie waren sehr kompetent. Ich fühlte mich sofort wohl bei ihnen und wir arbeiteten schließlich gemeinsam an dem Projekt."

Der Designberatungsservice (CDS) von Protolabs ist eine Ergänzung zum Spritzgussservice des Unternehmens. Während die automatisierte Angebotsplattform hilfreiche Rückmeldungen zur Herstellbarkeit liefert, eignet sich der zusätzliche Beratungsservice für Projekte, die ein kritischeres Denken erfordern; technische Erfahrung zur Unterstützung komplexerer Überlegungen zur Herstellbarkeit, wie sie von Elena und ihrem Team gefordert wird.

Dom Corpuz, einer der Anwendungsingenieure von Protolabs, fährt fort: "Die Zusammenarbeit mit Elena und ihrem Team hat Spaß gemacht, aber es war klar, dass die Zeit drängte, und so machten wir uns schnell an die Arbeit, um unseren Weg durch den Design- und Fertigungsprozess zu finden. Letztendlich wurden insgesamt dreizehn Teile gefertigt, um Baugruppen für die beiden Hauptkomponenten der Plattform herzustellen: die am Kopf montierte Kamera und den Herzaktivitätssensor. Die von uns hergestellten Teile dienen im Wesentlichen als Träger oder Gehäuse für die gesamte elektronische Hardware, die für die beiden Komponenten benötigt wird.”

Für die erste Designüberprüfung wurde PolyJet 3DP Silikon für das Gehäuseband der Kopfkamera und Multi Jet Fusion mit PA 11 für die Gehäuse der Kopfkamera und des Körpersensors verwendet. Dies war ein wichtiger erster Schritt, denn der 3D-Druck ermöglichte es dem Team, die Passgenauigkeit des Designs und das mechanische Verhalten der Teile auf kostengünstige Weise zu überprüfen, bevor in Werkzeuge für den Spritzguss investiert wurde. Das Verfahren ermöglichte es dem Team, vor der Produktion eine Reihe von Designanpassungen vorzunehmen, zumal viele der in der additiven Fertigung von Protolabs verwendeten Materialien die gleichen sind bzw. sich genauso verhalten wie viele der für den Spritzguss verfügbaren Materialien.

Für den Herzaktivitätssensor wurde Polypropylen (PP) ausgewählt, da es so dünn wie möglich sein sollte und ein leicht fließendes Material für die Form benötigt wurde. Das Stirnband bestand aus zwei Materialien: PP und Flüssigsilikon(LSR). Das LSR wurde ausgewählt, damit sich das Stirnband sanft um den Kopf des Kindes biegen kann und dabei seine Form behält, aber auch um elektrische und wärmeisolierende Eigenschaften zu bieten. LSR war auch entscheidend für den Tragekomfort des Kindes, der für eine erfolgreiche Forschung unerlässlich ist!

Dom erklärt: "Die größte Herausforderung bestand darin, das ursprüngliche 3D-gedruckte Design für das Spritzgießen anzupassen, vor allem im Hinblick auf das am Kopf befestigte Kameraband. Der ursprüngliche Entwurf sah eine zweiteilige Baugruppe vor, aber wir mussten die Teilekonfiguration überdenken, um die Anforderungen des Kunden zu erfüllen und dennoch innerhalb der Spritzgussmöglichkeiten zu bleiben. Die Neugestaltung der Teile erforderte viel Aufmerksamkeit, um sicherzustellen, dass Elena und ihr Team mit dem Design zufrieden waren und es dennoch herstellbar war. Mit unserem Consultative Design Service waren wir in der Lage, das gesamte Projekt zu unterstützen, bis alle mit der Weiterführung des Projekts zum Spritzgusswerkzeug zufrieden waren. Aber das ist typisch für die Entwicklung von Produktdesigns, daher kennen wir diesen Prozess durchaus."

Letztendlich wurden von jedem Teil zwischen 200 und 500 Stück spritzgegossen - eine relativ geringe Stückzahl für das Verfahren, die jedoch für ein derzeit nicht kommerzielles Forschungsprojekt geeignet ist.

Dank der Zusammenarbeit mit Protolabs ist die EgoActive-Plattform jetzt nicht mehr nur ein Konzept, sondern ein fertiges Produkt. Sie ist ein äußerst wichtiges Instrument, das die Art und Weise verändert, wie Wissenschaftler die gesunde Entwicklung des Gehirns bewerten, untersuchen und fördern können. Indem sie die Beschränkungen des Labors aufhebt, eröffnet die EgoActive-Plattform spannende neue Möglichkeiten für die Erforschung der frühen kognitiven Entwicklung des Menschen in seiner natürlichen Umgebung.

Daher war es wichtig, die Ergebnisse des Projekts durch die Veröffentlichung eines Artikels in der wissenschaftlichen Gemeinschaft bekannt zu machen. Elena war daran interessiert, die Ergebnisse über eine Open-Access-Plattform zu veröffentlichen, damit sie von allen, auch von der Öffentlichkeit, kostenlos gelesen werden können, und nicht in einer wissenschaftlichen Zeitschrift, die kostenpflichtig geschützt ist.

Es zeugt von der Bedeutung und dem Erfolg des Projekts, dass der Bericht von Elena und ihrem Team über die Ergebnisse einer strengen Prüfung unterzogen und zur Veröffentlichung in der renommierten Zeitschrift Sensors, einer frei zugänglichen wissenschaftlichen Plattform, aufgenommen wurde. Elena bedankt sich bei Protolabs für die Unterstützung bei diesem Erfolg und freut sich, dass Dom und Tom mit ihrem technischen Fachwissen dazu beigetragen haben, die technischen Aspekte des Designs und der Materialien des Gehäuses zu erklären.

Die Arbeit ist jetzt online und wird in der wissenschaftlichen Gemeinschaft geteilt, und hat bereits großes Interesse an der EgoActive-Plattform geweckt.

Elena erklärt: "Nach der Veröffentlichung der Arbeit haben uns viele Wissenschaftler gefragt, ob sie die EgoActive-Plattform für ihre Forschung nutzen können. Wir wissen, dass Wissenschaftler und Praktiker diese Geräte wirklich brauchen, also müssen wir einen Weg finden, sie zu verbreiten. Unser Ziel ist es, die EgoActive-Plattform innerhalb der relevanten akademischen und professionellen Gemeinschaften zu verbreiten, mit dem Ziel, zu helfen und keinen Profit zu machen. Wir müssen nur den besten Weg finden, dies zu tun. Diese Art von Initiative steht im Mittelpunkt der Grundsätze der University of York - eine Universität für das öffentliche Wohl. Sie ist bestrebt, die Zusammenarbeit über disziplinäre Grenzen hinweg und mit verschiedenen Menschen und Einrichtungen aus der gesamten Gesellschaft zu fördern, um Forschungssynergien zu schaffen, die der Gesellschaft als Ganzes dauerhaft zugute kommen."

Derzeit wird die EgoActive-Plattform von der Universität York genutzt, um Daten von vielen Familien in Sao Paolo, Brasilien, und in York, Vereinigtes Königreich, zu sammeln. Sowohl die Babys als auch ihre Mütter tragen die Geräte zu verschiedenen Zeitpunkten während des ersten Lebensjahres, um herauszufinden, wie die Merkmale der natürlichen Umgebung dazu beitragen, wie sich der Geist entwickelt und im Laufe der Zeit verändert. Die Studie wird es dem Team auch ermöglichen zu verstehen, ob ein bestimmtes Entwicklungsmuster für eine bestimmte Kultur spezifisch ist oder ob die Entwicklung einem universellen Muster folgt, das für Säuglinge weltweit charakteristisch ist.

Es bleibt abzuwarten, welche aufregenden Durchbrüche bei der Erforschung des menschlichen Gehirns und der Entwicklung des Geistes dank der Einführung der EgoActive-Plattform erzielt werden können. Und Protolabs wird jede zukünftige Entwicklung des Produkts unterstützen.

“Ich war begeistert, als ich Protolabs entdeckte", sagt Elena. "Das Team war unglaublich enthusiastisch, interessiert und bereit, die Herausforderung anzunehmen. Ich war dankbar, dass sie immer bereit waren, Ideen zu teilen und das Projekt voranzutreiben. Ich habe die Zusammenarbeit mit ihnen bei der Entwicklung der EgoActive-Plattform sehr genossen und denke, dass es in den nächsten Jahren eine weitere Zusammenarbeit mit Protolabs geben wird, wenn wir das Produkt entwickeln und vertreiben. Ich freue mich auf die weitere Zusammenarbeit mit Protolabs bei diesem und möglichen zukünftigen Projekten.”

Über das Wellcome Leap First 1000 days (1kD) Programm:

Das 1kd-Förderprogramm von Wellcome Leap macht deutlich, wie wichtig es ist, dass wir alle mehr darüber verstehen, wie sich unser Gehirn von Geburt an entwickelt: "Wir alle wissen, was für einen Unterschied ein Tag macht. Die ersten 1000 Tage können für den Start eines Kindes ins Leben entscheidend sein, vielleicht mehr, als wir je zuvor verstanden haben. In dieser frühen Phase entwickeln wir entscheidende kognitive Fähigkeiten, wie z. B. die Exekutivfunktion (EF) und die Selbstregulierung. Am Ende der ersten 1000 Tage verändert die individuelle EF-Leistung eines Kindes seine Chancen, mit den Chancen und Hindernissen, die sich ihm im Leben stellen, erfolgreich umzugehen. Eine gut entwickelte EF verbessert die Chancen eines Kindes auf lebenslange körperliche, neuronale und geistige Gesundheit, verringert das Tempo des Alterns und unterstützt eine höhere Produktivität und Wohlstand. Ist die emotionale Kompetenz unterentwickelt, hat dies erhebliche Konsequenzen. Wir wissen, dass Kinder mit einer unterentwickelten EF im Alter von 3 Jahren etwa 20 Prozent der Bevölkerung ausmachen, aber fast 80 Prozent der Erwachsenen, die wahrscheinlich irgendeine Form von gesellschaftlicher oder wirtschaftlicher Unterstützung benötigen werden."