3D-Druck Exoskelette, so einzigartig wie jede Hand

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Das Fraunhofer IWU nutzt innovative Formgedächtnislegierungen, Schrittmotoren und 3D-Druck-Technologien für Hand-Exoskelette, die nach Unfällen oder Schlaganfällen die Beweglichkeit der Hand trainieren und unterstützen.

Besonders nach Unfällen mit Sehnenverletzungen oder als Folge von Schlaganfällen kann die Beweglichkeit der Hände beeinträchtigt sein. Als Hilfsmittel einer Therapie kommen verstärkt Exoskelette zum Einsatz, die wie ein zweites Skelett über der Hand angebracht werden und gezielt Handgelenk und Finger durchbewegen können. Doch nur ein Produkt, das ganz auf die Hand des Patienten abgestimmt ist, wichtige Anforderungen wie geringes Gewicht und kompakte Ausmaße erfüllt, bringt gute Voraussetzungen für einen Therapieerfolg mit. Denn eine Stütz- und Bewegungsstruktur, die ihren Träger mehr behindert als unterstützt, verstaubt oft unbenutzt im Regal.

Warum Exoskelette individualisieren?

Das Fraunhofer IWU setzt nun auf innovative Formgedächtnislegierungen, Schrittmotoren und 3D-Druck-Technologien für die Bereitstellung passgenauer und sanft unterstützender Exoskelette. Die Idee: Das Exoskelett als solches muss zunächst perfekt an die Anatomie der Hand angepasst sein. Menschliche Hände unterscheiden sich nicht nur in der Größe, sondern auch in den Proportionen deutlich voneinander. Unterschiede bestehen sogar zwischen der linken und der rechten Hand derselben Person.

Nahezu unbegrenzte geometrische Freiheiten bietet die Herstellung des Exoskeletts via 3D-Druck im Verfahren des selektiven Lasersinterns (SLS). Dabei werden dreidimensionale Formen Schicht für Schicht aus Kunststoffpulver aufgebaut. Besonders effizient lässt sich der Herstellprozess gestalten, wenn ein parametrisches CAD-Modell dafür die Grundlage bildet. Im Idealfall liegt also die Patientenhand als digitaler 3D-Scan vor, sodass mit der geometrischen Form auch die Beziehungen (Parameter) zwischen den einzelnen Elementen der Hand kartografiert sind. So entsteht beim Druck nicht nur ein besonders präzises „Negativ“ der Hand, eventuell erforderliche Anpassungen für spätere Neuanfertigungen sind mit einem CAD-Modell als Grundlage auch leichter umsetzbar.

Digitaler Zwilling

Exoskelett unterstützt nach Schlaganfall

Exoskelett benötigt kompakte und präzise Antriebstechnik

Doch nicht nur die Anatomie jeder Hand ist einzigartig. Auch die Handkraft unterscheidet sich deutlich. Bei den meisten Patientinnen und Patienten ist es sinnvoll, Kraft und Hub eines Exoskeletts für die Hand zu individualisieren. Gleichzeitig wäre ein hohes Eigengewicht des Hilfsmittels sehr belastend.

Neben der Passform der Schale kommt es daher insbesondere auf den Antrieb an. Alina Carabello, Doktorandin am Fraunhofer IWU und wissenschaftliche Mitarbeiterin der Technischen Universität Chemnitz, setzt auf eine Kombination aus einem in zwei Richtungen wirksamen (bidirektionalen) Schrittmotor und aktuatorisch eingesetzten, als Formgedächtnislegierungen ausgeführten Drähten. Dieses Konzept basiert auf jeweils nur zwei künstlichen Sehnen, die der Schrittmotor für eine Beuge- bzw. Streckbewegung von Hand und Fingern präzise ansteuert. Dabei können verschiedene Positionen gehalten und bei Bedarf nachjustiert werden. Ein Nachregeln ist zum Beispiel bei einer Mineralwasserflasche aus Kunststoff erforderlich, die nachgibt, sobald der Verschluss geöffnet wird und Kohlensäure entweichen kann.

So funktioniert das Antriebssystem

Der Schrittantrieb basiert auf den Elementen Zahnrad, Hebel, Klinke und FGL-Draht. Wird der Draht erwärmt, zieht er sich zusammen und lenkt dadurch den Hebel um einen definierten Winkel aus. So wird das Zahnrad sozusagen mitgenommen, also in die gewünschte Richtung bewegt; das Seil der Streck- beziehungsweise der Beugesehne wird auf eine Seilspule auf- beziehungsweise abgewickelt. Durch diese Sehnenbewegung wird der Finger gebeugt oder gestreckt.

Bei Carabellos Schrittantrieb wirken Formgedächtnislegierungen (FGL) als Aktoren: Ihre Formänderungsfähigkeit steuert die Bewegung des Zahnrads. Wird ein FGL-Draht durch elektrischen Strom aus einem Mikrokontroller gezielt erwärmt, verkürzt er sich, beim Wiederabkühlen dehnt er sich durch einen Gegenzug, beispielsweise durch eine Feder oder einen weiteren FGL-Draht. Diese Mechanik steuert die künstlichen Gliedmaßen des Exoskeletts. Insgesamt kann eine sehr präzise und wiederholbare Bewegung erreicht werden; das sanfte Ansprechverhalten der FGL-Drähte garantiert schonende Bewegungsschritte.

Maßgeschneiderte Exoskelette sind nur der Anfang

Das Fraunhofer IWU sieht bei vielen Hilfsmitteln in der Medizintechnik weiteren Individualisierungsbedarf, um die Bedürfnisse zu behandelnder Personen besser abbilden und therapeutisches Personal zielgerichteter unterstützen zu können. Viele Hilfsmittel orientieren sich an Standardvorgaben und sind selten an Alter, Geschlecht, Größe, Gewicht oder tatsächliche Einschränkungen von Patientinnen und Patienten angepasst oder überhaupt anpassbar.

Forschung

Handprothesen mit Gedankenkraft präziser steuern

Mit seinem Exoskelett für die Hand zielt das Fraunhofer IWU vorrangig auf Sehnenverletzungen nach Unfällen ab. Auch nach Schlaganfällen oder mit (angeborenen) Lähmungen ist es wichtig, im Genesungsprozess die betroffene Hand durchzubewegen – oft wären Übungen in engerer Abfolge sinnvoll, als es das Zeitbudget von Therapeuten erlaubt. Hier kann das am Fraunhofer IWU entwickelte Exoskelett Entlastung bieten, da die durchgehende Anwesenheit einer betreuenden Person nicht zwingend erforderlich ist.

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