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.

Passive Handprothesen mit gelenkigen Fingern sind wegen der geringen Kosten attraktiv für den Endnutzer. Im Rahmen des Projektes „ProFi“ (Programmierbarer Multistabiler Finger) hat ein Forscherteam der Fraunhofer Institute LBF, IWM, ITWM und IAP 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, berichtet das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF.

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, erläutert das Institut und erklärt: 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 anderen am Projekt beteiligten Fraunhofer-Institute waren wie folgt beteiligt: 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 den Projektpartnern zufolge in der Orthetik und als Greifsystem in der Automatisierungstechnik zum Einsatz kommen, wo es Effizienz und Sicherheit steigert.