Exoskelett Hand-Exoskelett nutzt Ziehharmonika-Prinzip für präzise Bewegungen

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Eine Forscherin der ETH Zürich hat ein Hand-Exoskelett entwickelt, das Schlaganfallpatienten dabei hilft, Greifbewegungen wieder zu erlernen. Neu ist u. a. die ziehharmonikaähnliche Struktur, die das Exoskelett leicht, robust und alltagstauglich macht.

Da Exoskelette für die Hand die filigranen Bewegungen der Finger unterstützen, sind sie komplex, meist sperrig, bestehen aus vielen mechanischen Bauteilen oder gehen schnell kaputt und sind unbequem zu tragen. Natalie Tanczak, Doktorandin am Rehabilitation Engineering Laboratory („RELab“) der ETH Zürich, hat ein Exoskelett entwickelt, das ohne Hydraulik- oder Pneumatikantrieb auskommt und mechanisch einfach aufgebaut ist. Motoren am Unterarm versetzen es in Bewegung. Die mittlerweile zum Patent angemeldete Vorrichtung hat mit 270 Gramm ungefähr das Gewicht eines Smartphones. Bis auf einen USB-Anschluss kommt sie ohne Kabel aus. Die Oberflächenstruktur ist aus Nylon und im 3D-Druck gefertigt. „Unser Exoskelett lässt nach einem Schlaganfall ein intensives, persönliches Training zu“, erklärt Tanczak. „Wir können Patienten helfen, ihre Bewegungsfähigkeit wiederzuerlangen, indem sie einfach ihre alltäglichen Dinge tun.“

„Es ist das eleganteste und kompakteste Design, das solche komplexen Bewegungen ermöglicht“, sagt Roger Gassert. Er leitet zusammen mit Olivier Lambercy das RELab, an dem schon mehrere frühere Prototypen des Hand-Exoskeletts entwickelt wurden. Die früheren Modelle kamen allerdings nicht an die Leichtigkeit und Robustheit des neuen Modells heran. „Die Schönheit der neuen Exoskelett-Finger liegt in ihrer Einfachheit. Andere Modelle bestehen aus unzähligen Teilen. Unseres aus lediglich zwei“, sagt Lambercy.

Ziehharmonika-Struktur verleiht Exoskelett Flexibilität und Präzision

Eines der beiden Bauteile ist eine Blattfeder aus rostfreiem Stahl. Sie muss einerseits steif genug sein, um einen angemessenen Widerstand zu bieten, andererseits aber auch biegsam. Beim zweiten Bauteil ließ sich Tanczak von einer Ziehharmonika inspirieren. Daraus entwickelte sie die markante Struktur und stellte in Zusammenarbeit mit dem Ingenieur Jay Song ein einziges Bauteil her, durch das die Blattfeder gleitet. Somit bildet die ziehharmonikaähnliche Außenstruktur das Rückgrat, das es der Blattfeder ermöglicht, eine lineare Bewegung in eine senkrechte Greifkraft umzuwandeln, die das Biegen und Strecken auf natürliche Weise steuert.

Der 3D-Druck ermöglicht es, das Exoskelett so anzupassen, dass es sich je nach Handgröße und Fingerlänge an die Hand eines jeden Benutzers anpasst. Dies verstärkt seine unterstützende Wirkung und den Komfort zusätzlich.

Potenzial für viele Gelenke

Insgesamt drei Jahre hat Tanczak daran gearbeitet. Begonnen hat sie am Future-Health-Technologies-Labor des Singapore-ETH Centre. Zur technischen Entwicklung kam sie ans RELab nach Zürich, wo sie auf die gesammelte Erfahrung in der Herstellung solcher Modelle zurückgreifen konnte.

Mittlerweile hatte Tanczak die Chance, ihr Produkt in realer Umgebung zu testen. Sie begleitete acht Schlaganfallpatienten, die das Exoskelett über zwölf Wochen benutzten, und sagt zu ihrer Erfahrung: „Als Maschinenbauingenieurin freut es mich besonders, zu sehen, welche Auswirkungen die Technologie auf die Nutzer hatte. Ihre Fortschritte waren enorm und ihre Dankbarkeit ist unbezahlbar.“

Neben dem Einsatz in Hand-Exoskeletten kann ihr Design der ziehharmonikaähnlichen Struktur auch noch anderen Patienten helfen. Denn dieses kann genauso gut zur Unterstützung des Ellbogens, des Knies oder jedes anderen Gelenks des menschlichen Körpers eingesetzt werden.

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