Mobile-Menu

Metamaterial Programmierbares Metamaterial vereinfacht Prothesenbau

Quelle: Fraunhofer LBF 2 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
microsonic GmbH
Ruderer Klebetechnik GmbH
Bechtle PLM Deutschland GmbH

Im Fraunhofer Cluster of Excellence Programmable Materials CPM haben Forschende ein multistabiles Fingergelenk für eine Handprothese entwickelt, welches vier stabile Verformungszustände annehmen kann. Zum Einsatz kommt hierbei ein programmierbares Metamaterial, welches bisherige mehrteilige und verschraubte Lösung ersetzen soll.

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

Passive Handprothesen mit gelenkigen Fingern sind wegen der geringen Kosten attraktiv für den Endnutzer. Im Rahmen des Projekts „ProFi“ (Programmierbarer Multistabiler Finger) haben Forscher 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.

Bildergalerie

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

Zum Institut

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.

Buchtipp: Smart Materials

Smart Materials sind Materialien, deren Eigenschaften sich durch externe Anregungen wie Licht, Wärme und elektrische und magnetische Felder in starkem Maße beeinflussen lassen. In Zukunft werden sie mechatronische Funktionen mehr und mehr unterstützen oder sogar ersetzen. Das Buch gibt eine grundlegende Einführung in die verschiedenen Klassen von Smart Materials. Dabei werden sowohl die besonderen Materialeigenschaften als auch die vielfältigen Möglichkeiten zur Realisierung neuer Produkte dargestellt.

Mehr erfahren bei Vogel Fachbuch

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.

(ID:50621933)

Jetzt Newsletter abonnieren

Verpassen Sie nicht unsere besten Inhalte

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung. Die Einwilligungserklärung bezieht sich u. a. auf die Zusendung von redaktionellen Newslettern per E-Mail und auf den Datenabgleich zu Marketingzwecken mit ausgewählten Werbepartnern (z. B. LinkedIn, Google, Meta).

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

Weiterführende Inhalte