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Ästhetische Handprothetik Multistabiler Finger aus programmierbarem Metamaterial ermöglicht vereinfachten Prothesenbau

Quelle: Pressemitteilung Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF 3 min Lesedauer

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Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
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Passive Handprothesen mit gelenkigen Fingern sind wegen der geringen Kosten attraktiv für den Endnutzer. Im Rahmen des Projekts „ProFi“ hat ein Fraunhofer-Forscherteam einen Finger für Handprothesen konzipiert, der die herkömmlichen mehrteiligen und verschraubten Lösungen durch ein einzelnes, leicht anpassbares multistabiles Metamaterial ersetzt.

Die neue Fingerprothese mit zwei Gelenken, fixiert in drei unterschiedlichen Stellungen. (Bild: Fraunhofer LBF/Ursula Raapke)
Die neue Fingerprothese mit zwei Gelenken, fixiert in drei unterschiedlichen Stellungen.
(Bild: Fraunhofer LBF/Ursula Raapke)

Im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM haben Forscher ein multistabiles Fingergelenk für eine Handprothese entwickelt, welches vier stabile Verformungszustände annehmen kann. Die Fraunhofer-Institute für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, für Werkstoffmechanik IWM, für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM und für angewandte Polymerforschung IAP arbeiten im Projekt „ProFi“ (Programmierbarer Multistabiler Finger) zusammen, um die bisherige mehrteilige und verschraubte Lösung durch ein einzelnes programmierbares Metamaterial zu ersetzen, was den Montageaufwand erheblich reduziert. Diese passive, günstige Handprothese bietet zwei Gelenke, die eine Beugung um eine Achse erlauben und verschiedene Fingerstellungen fixieren kann. Ein großer Fortschritt für Handprothesennutzer, die Wert auf Ästhetik und Funktionalität legen.

Ästhetische Handprothese durch programmierbare Metamaterialien

Die am Fraunhofer LBF entwickelte Gelenkstruktur basiert auf einem Metamaterial, das ursprünglich für den Ellenbogenersatz konzipiert wurde und nur die Biegung um eine Achse ermöglicht, während die anderen Freiheitsgrade möglichst steif sind. Die Übertragung in einen kleineren Bauraum wurde durch spezielle Anpassungen realisiert, die eine 90°-Beugung in einem geringen Radius ermöglichen und gleichzeitig die Steifigkeit in der Beugungsrichtung minimieren. Unterstützt durch FEM-Simulationen wurde die Struktur optimiert, um Spannungen zu reduzieren und die Lebensdauer zu steigern.

FEM-Simulation der Gelenkstruktur mit Vergleichsspannung in MPa (oben) und die additiv gefertigte Struktur mittels Fused Deposition Modeling (FDM) und Selective Laser Sintering (SLS) (unten). (Bild: Fraunhofer LBF)
FEM-Simulation der Gelenkstruktur mit Vergleichsspannung in MPa (oben) und die additiv gefertigte Struktur mittels Fused Deposition Modeling (FDM) und Selective Laser Sintering (SLS) (unten).
(Bild: Fraunhofer LBF)

Die am Fraunhofer IWM entwickelten bistabilen Einheitszellen, die in das Gelenk integriert sind, basieren auf einem Konzept, das elastische Balken verwendet, die bei Zugbelastung in einen zweiten stabilen Zustand übergehen. Zur Analyse der Bistabilität und zur Optimierung der Einheitszellen-Geometrie wird mit Unterstützung des Fraunhofer ITWM die Software „ProgMatCode“ eingesetzt. Die Kombination aus Gelenkstruktur und mehreren bistabilen Einheitszellen ergibt das multistabile Fingergelenk. Am Fraunhofer IAP wurde ein Finger mit zwei Gelenken aus einem Bauteil additiv gefertigt, sodass weiterhin eine individuelle Außenkontur möglich ist, aber der Montageaufwand entfällt.

Das Gelenk kann in der Orthetik und als Greifsystem in der Automatisierungstechnik zum Einsatz kommen, wo es Effizienz und Sicherheit steigert.

Hintergrund: Was sind programmierbare Materialien und Metamaterialien?

Komplexer werdende Anforderungen an das Materialverhalten bringen die klassischen Konzepte der Materialauswahl und -auslegung an ihre Grenzen. Das Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM ist ein Zusammenschluss aus verschiedenen Fraunhofer-Instituten mit überschneidenden und sich ergänzenden Kompetenzen. Das Ziel ist die Entwicklung so genannter „programmierbarer Metamaterialien“, die sich an Umgebungsbedingungen adaptieren, klassische Systemansätze ersetzen oder zwischen verschiedenen Eigenschaften geschaltet werden können.

Mechanische Metamaterialien bestehen aus Werkstoffen, deren makroskopischen Eigenschaften durch eine mesoskalige (μm-cm) Strukturierung aus sogenannten Einheitszellen gezielt eingestellt werden. In programmierbaren Metamaterialien ist diese Mesostruktur nicht mehr fest, sondern verändert sich unter bestimmten Randbedingungen oder durch äußere Stimulierung reversibel. Des Weiteren können geometrische Parameter in der Struktur variiert werden, um die Funktionalität eines makroskopischen Bauteils zu optimieren.

Programmierbare Materialien haben das Potential einen Paradigmenwechsel im Umgang mit und beim Gestalten von Materialien einzuleiten, da sie technische Systeme aus vielen Bauteilen und Materialien durch ein einzelnes, lokal konfiguriertes Material ersetzen. Sie ermöglichen damit kleinere Systemgrößen und reduzieren die Komplexität des Gesamtsystems sowie die Abhängigkeit von großen Infrastrukturen. Gerade in hoch technologisierten Bereichen wie der Soft-Robotic können programmierbare Materialien helfen, die zunehmende Anfälligkeit durch komplexe Miniaturisierung wieder zu reduzieren.

Neben der höheren Funktionsintegration und der damit verbundenen Ressourceneffizienz gestatten programmierbare Materialien in Zukunft auch gänzlich neue Funktionalitäten, die sich bisher nicht realisieren ließen. Besonders hohes Potenzial bieten sie dort, wo eine hohe Effektivität oder Komfort, ein geringer Platzbedarf oder eine hohe Individualität gefordert sind.

Das Cluster erwartet insbesondere in den Branchen Medizin- bzw. Gesundheitstechnik, Umwelttechnologie und Miniaturisierung von Technologien vielversprechende Lösungen mit programmierbaren Materialien.

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