Ästhetische Handprothetik: Multistabiler Finger aus programmierbarem Metamaterial ermöglicht vereinfachten Prothesenbau
Im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM haben
Forschende ein multistabiles Fingergelenk für eine Handprothese
entwickelt, welches vier stabile Verformungszustände annehmen kann. Die
Fraunhofer-Institute LBF, IWM, ITWM und IAP arbeiten im Projekt »ProFi«
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.
Passive Handprothesen mit gelenkigen Fingern sind wegen der geringen
Kosten attraktiv für den Endnutzer. Im Rahmen des Projekts »ProFi«
(Programmierbarer Multistabiler Finger) hat ein Fraunhofer-Forscherteam
einen Finger für Handprothesen konzipiert, der die herkömmlichen
mehrteiligen und verschraubten Lösungen durch ein einzelnes, leicht
anpassbares multistabiles Metamaterial ersetzt. Ziel war es, die Montage
zu vereinfachen und gleichzeitig die Funktionalität zu erhöhen. Der Finger
kann in vier Positionen in 30°-Schritten fixiert werden.
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.
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.
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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 sogenannter »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.
Was bieten programmierbare Materialien?
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.
