Multistabiler Finger vereinfacht Bau ästhetischer Handprothesen

Ein Team aus mehreren Fraunhofer-Instituten, LBF, IWM, ITWM und IAP, hat im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials (CPM) ein multistabiles Fingergelenk entwickelt, das in Handprothesen eingesetzt werden kann. Das neue System erlaubt vier stabile Verformungszustände und ersetzt bisherige, komplexe Gelenkkonstruktionen durch ein einziges Bauteil. Dadurch wird der Montageaufwand erheblich reduziert und die Lebensdauer verlängert.

Das Projekt „ProFi“ (Programmierbarer Multistabiler Finger) verfolgt das Ziel, die Funktionalität passiver Prothesen zu erhöhen und gleichzeitig ihre Herstellung zu vereinfachen. Passive Handprothesen sind aufgrund ihrer Kostenstruktur und Zuverlässigkeit besonders attraktiv für Patientinnen und Patienten, die Wert auf Alltagstauglichkeit und Ästhetik legen.

Das am Fraunhofer LBF entwickelte Gelenk basiert auf einem Metamaterial, das ursprünglich für den Ellenbogenersatz konzipiert wurde. Es ermöglicht eine Beugung um eine Achse bei gleichzeitig hoher Steifigkeit in anderen Richtungen. Mithilfe von FEM-Simulationen wurde die Struktur so optimiert, dass sie eine 90°-Beugung bei minimalem Radius zulässt, Spannungen reduziert und die Belastbarkeit erhöht.

Das Fingergelenk kann in vier Fixierungsstufen à 30 Grad positioniert werden, ein klarer Vorteil für Handprothesenträgerinnen und -träger, die die Fingerhaltung variabel anpassen möchten.

Am Fraunhofer IAP wurde der Finger aus einem Stück additiv gefertigt, wodurch individuelle Formen und Größen realisiert werden können, ohne zusätzliche Montage. Das Fraunhofer IWM steuerte bistabile Einheitszellen bei, die elastische Balken enthalten, die bei Zugbelastung in einen zweiten stabilen Zustand übergehen. Zur Analyse dieser Strukturen kam die Software „ProgMatCode“ des Fraunhofer ITWM zum Einsatz.

Neben der Prothetik bietet das multistabile Gelenk auch Potenzial für Anwendungen in der Orthetik und der Automatisierungstechnik, etwa bei Greifsystemen, die sowohl Sicherheit als auch Energieeffizienz erfordern.

Programmierbare Metamaterialien sind Werkstoffe, deren mechanische Eigenschaften gezielt strukturell gestaltet und angepasst werden können. Sie reagieren auf äußere Einflüsse, indem sie ihre Form oder Steifigkeit verändern. Dadurch können technische Systeme vereinfacht und ihre Ressourceneffizienz erhöht werden.

COMPAMED.de; Quelle: Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF