Künstlicher Ellenbogen »Low-Cost-Prothese« und »technische Muskeln«

Das Fraunhofer IPA hat einen neuartigen technischen Muskel entwickelt, der in aktiven Prothesen und Exoskeletten Gelenke beugen kann. Seine Funktionsweise demonstrieren die Forscher in einem künstlichen Ellbogengelenk.

Kernstück der Entwicklung des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung sind sogenannte »Dohelix-Muskeln«. Sie bestehen aus einer hochfesten und gleichzeitig hochflexiblen Schnur, die zwei zueinander bewegliche Teile verbindet. In der Schnurmitte ist eine Antriebswelle befestigt. Wenn sie sich dreht, wickelt sich die Schnur von beiden Seiten auf und zieht die Schnurenden zusammen. Die Schnur wickelt sich in Form einer doppelten Helix auf die Welle auf, daher auch der Name »Dohelix-Muskel«.

Als Antrieb setzen die Entwickler elektrische Kleinmotoren ein, ohne oder mit Getriebe mit kleiner Untersetzung. Der Wirkungsgrad der Motoren liegt bei hochwertigen Modellen über 80 Prozent. Sie sind kurzzeitig und wiederkehrend mit einem vielfachen ihres Nennmoments belastbar. Wenn die Motorwicklungen nicht zu heiß werden und sie bei längerer Belastung Zeit haben, sich wieder abzukühlen, überstehen sie auch hohe Beanspruchungen. Dabei ähneln die technischen Muskeln menschlichen Skelettmuskeln: Auch sie können kurzzeitig große Kräfte aufbringen, brauchen aber danach Ruhephasen.

Die Entwickler des Fraunhofer-Instituts wählten elektrische Kleinmotoren, da diese robust, wartungsfrei und einfach ansteuerbar sind. Der Prothesenträger benötigt zur Steuerung lediglich ein kleines Steuergerät und eine Batterie am Gürtelclip.

Um die Funktionsweise des Dohelix-Muskels zu demonstrieren, hat das Fraunhofer IPA eine neuartige Prothese entwickelt: Das ISELLA-Ellbogengelenk (ISELLA = Intrinsically safe lightweight lowcost arm) ist in einen künstlichen Arm integriert und setzt die Dohelix-Muskeln ein, um das Gelenk zu beugen und zu strecken. Im Arm integriert sind dazu zwei Strecker und zwei Beuger. Der am Fraunhofer IPA entwickelte Prototyp kann sich bis 0° strecken und bis 135° beugen und den Unterarm über Elle und Speiche um +/- 75° drehen.

Der Vorteil dieser Prototypen liegt laut der Entwickler des Fraunhofer IPA in der kostengünstigen Herstellung: Sowohl der technische Muskel als auch das künstliche Ellbogengelenk lassen sich aus Normteilen oder Teilen herstellen, die wenig Bearbeitung erfordern. Alle Komponenten der Prototypen sind auf eine Herstellung in hohen Stückzahlen optimiert.