In der Welt der Prothesenentwicklung zeichnet sich ein bedeutender Fortschritt ab, der durch die Zusammenarbeit mehrerer Fraunhofer-Institute ermöglicht wird. Im Rahmen des Projekts „ProFi“ (Programmierbarer Multistabiler Finger) haben Forscher ein neuartiges Fingergelenk für Handprothesen entworfen, das auf einem innovativen, programmierbaren Metamaterial basiert. Diese Entwicklung zielt darauf ab, herkömmliche, komplexe Prothesenlösungen zu revolutionieren und die Montage sowie Funktionalität erheblich zu verbessern.
Das neue Fingergelenk kann vier verschiedene stabile Verformungszustände annehmen, was eine Flexibilität bietet, die es Prothesennutzern ermöglicht, ihre Finger in unterschiedlichen Positionen zu fixieren. Diese Anpassungsmöglichkeiten sind besonders wichtig für Personen, die sowohl Wert auf ästhetische Aspekte als auch auf die Funktionalität ihrer Prothesen legen. Passive Handprothesen, die gelenkige Finger enthalten, sind oft kostengünstiger und daher für viele Nutzer attraktiv. Die Integration eines einzigen, programmierbaren Metamaterials anstelle der traditionellen, mehrteiligen Konstruktionen reduziert nicht nur die Montagezeit, sondern vereinfacht auch den gesamten Herstellungsprozess.
Das Konzept des multistabilen Fingergelenks basiert auf einer Gelenkstruktur, die ursprünglich für Ellenbogenprothesen entwickelt wurde. Diese Struktur erlaubt die Beugung um eine Achse, während die anderen Bewegungsgrade durch hohe Steifigkeit stabilisiert werden. Um die Funktionalität auf einen kleineren Bauraum zu übertragen, haben die Forscher spezielle Anpassungen vorgenommen, die eine 90°-Beugung in einem kompakten Radius ermöglichen. Unterstützt durch Finite-Elemente-Methoden (FEM) wurden die Konstruktion und Materialverteilung optimiert, um Spannungen zu minimieren und die Lebensdauer des Gelenks zu erhöhen.
Ein herausragendes Merkmal dieser Entwicklung sind die bistabilen Einheitszellen, die in das Gelenk integriert sind. Diese Zellen nutzen elastische Balken, die bei Zugbelastung in einen zweiten stabilen Zustand wechseln können. Die Geometrie dieser Einheitszellen wird durch spezialisierte Software namens „ProgMatCode“ analysiert, die in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer ITWM entwickelt wurde. Diese Kombination aus Gelenkstruktur und bistabilen Einheitszellen ermöglicht es, das Fingergelenk effizient und zuverlässig zu gestalten.
Zusätzlich wurde der Finger mit zwei Gelenken als einheitliches Bauteil additiv hergestellt, was den Montageaufwand weiter reduziert. Diese Technik ermöglicht es, eine individuelle Außenkontur der Prothese zu gestalten, ohne dass die Schwierigkeiten herkömmlicher Montagesysteme anfallen. Diese Fortschritte in der Prothetik könnten auch in anderen Bereichen Anwendung finden, wie beispielsweise in der Orthetik oder der Automatisierungstechnik, wo Effizienz und Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind.
Die zugrundeliegende Technologie der programmierbaren Metamaterialien stellt einen Paradigmenwechsel in der Materialwissenschaft dar. Diese Materialien sind darauf ausgelegt, sich an verschiedene Umgebungsbedingungen anzupassen, anstatt starr und unveränderlich zu sein. Der Einsatz von programmierbaren Metamaterialien könnte die Anforderungen an traditionelle Materialauswahl und -gestaltung erheblich verändern. Insbesondere in der Medizin- und Gesundheitstechnologie sowie in der Umwelttechnik könnten diese Materialien vielversprechende Lösungen bieten, die sowohl Funktionalität als auch Effizienz steigern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Entwicklungen im Bereich der ästhetischen Handprothetik durch die Einführung von multistabilen, programmierbaren Metamaterialien sowohl die Lebensqualität der Nutzer verbessern als auch neue Standards in der Prothesenherstellung setzen könnten. Diese Innovationen sind ein bedeutender Schritt in die Zukunft, in der Prothesen nicht nur funktional, sondern auch ästhetisch ansprechend und individuell anpassbar sind.
