Innovation geht Hand in Hand

Funktionelle Prothesen kennen die meisten von uns nur aus Science-Fiction-Filmen, in denen die künstlichen Extremitäten übermenschliche Kräfte verleihen. Im echten Leben dagegen machen bionische Handprothesen ihre Träger nicht zu Superhelden. Aber sie können ihnen viele Dinge ermöglichen, die für die meisten Menschen selbstverständlich sind.

Intuitive Bewegung

Die myoelektronische Prothese Bebionic wiegt zwischen 400 und 600 Gramm und ist damit etwa so schwer wie die natürliche Hand. Sie wird durch kleine elektrische Signale im Körper gesteuert. Diese werden durch Muskelkontraktionen erzeugt und können mit Elektroden auf der Haut gemessen werden – ähnlich wie bei einem EKG in der Herzdiagnostik. Zwei Elektroden, die im Prothesenschaft integriert sind, erkennen die myoelektronischen Signale und leiten diese an die Steuerungselektronik weiter. Diese Signale werden verstärkt und zur Aktivierung der fünf kleinen Elektromotoren genutzt (einen für jeden Finger), welche die Finger und Daumen bewegen – die Hand öffnet oder schließt sich. Dabei entscheidet die Stärke der Muskelkontraktion über die Geschwindigkeit und die Greifkraft: Ein schwaches Signal erzeugt eine langsame, ein starkes Signal eine schnelle Bewegung.
Die Muskeln, die zum Öffnen und Schließen der Handprothese genutzt werden, sind bei der natürlichen Hand eigentlich für die Bewegung des Handgelenks zuständig. Ihr Träger muss lernen, dass sie nun eine andere Funktion haben. „Das menschliche Gehirn ist unglaublich anpassungsfähig. Schon nach kurzer Zeit führen die Menschen die Bewegung eben so intuitiv durch, wie Autofahrer beim Haltewunsch auf die Bremse treten“, sagt Ted Varley, technischer Direktor bei Steeper.

Zusätzliche Motoren für mehr Kontrolle

Die erste myoelektronische Hand kam bereits Anfang der 1980er-Jahre auf den Markt. Sie wurde von einem einzelnen DC Motor angetrieben und hatte nur einen einfachen Greifmechanismus: Daumen, Zeige- und Mittelfinger konnten zu einem Zangengriff geschlossen werden. Ringfinger und kleiner Finger waren nur aus kosmetischen Gründen vorhanden und besaßen keine Greifkraft. Dieses Konzept wurde vor etwa zehn Jahren für die Bebionic-Hand grundlegend geändert. „Wir haben festgestellt, dass die Menschen eine geringere Greifkraft pro Finger akzeptieren, wenn sie dafür mehr Flexibilität erhalten“, erklärt Ted Varley. Um die Finger einzeln steuern zu können, wird bei der Bebionic-Hand daher jeder Finger mit einem eigenen Elektromotor ausgestattet. Die vier DC Motoren der Finger sind im Bereich der Handfläche untergebracht, der fünfte im Daumen selbst. In die DC Motoren sind Encoder integriert, welche die Position der Finger jederzeit präzise erfassen.
Dank der individuellen Steuerung können die Finger zu insgesamt 14 verschiedenen Griffmustern arrangiert werden. Mit dem Schlüsselgriff, der den Daumen bei gebeugten Fingern auf und ab bewegt, kann man zum Beispiel flache Gegenstände wie Teller, Schlüssel oder Scheckkarten halten. Mit dem Hakengriff können schwere Lasten bis zu 25 Kilogramm getragen werden, der ausgestreckte Zeigefinger erlaubt die Benutzung von Tastaturen und Fernbedienungen. Beim Kraftgriff befindet sich der Daumen in der Oppositionsstellung, und alle Finger werden so weit geschlossen, bis sie auf Widerstand stoßen. Dieser wird verwendet, um unregelmäßig geformte Gegenstände wie etwa Weingläser zu umfassen. „Diese Haltung sieht viel natürlicher aus als ein Zangengriff. Außerdem ist der Griff stabiler, wenn alle Finger benutzt werden“, betont Varley.

Gesteigertes Selbstwertgefühl

Die bionische Hand erleichtert viele Alltagsaktivitäten. „Tatsächlich sind es oft Kleinigkeiten, die durch die Prothese einfacher werden. In der Summe führen sie aber zu einer deutlich verbesserten Lebensqualität", erzählt Ted Varley. Darüber hinaus hat die künstliche Hand aber auch einen großen psychologischen Effekt: „Viele Anwender berichten, dass mit der Bebionic ihr Selbstwertgefühl gestiegen ist, da sie mit ihrer neuen High-Tech-Prothese auf Interesse und Faszination stoßen.“ In diesem Zusammenhang spielt auch das attraktive Design der Prothese eine wesentliche Rolle. „Unser Vorgehen bei der Entwicklung der dritten Bebionic-Generation war in der Prothetik eher unüblich: Wir haben zuerst das Gehäuse entwickelt und dann nach Lösungen gesucht, wie die einzelnen Komponenten darin untergebracht werden können“, betont Varley. „Noch vor fünf Jahren wäre dies für die kleine Hand nicht möglich gewesen – die Technologie war noch nicht reif dafür.“ Auch der für die Anwendung prädestinierte DC-Kleinstmotor der Serie 1024 SR befand sich noch in der Entwicklungsphase, als Steeper sich 2013 mit seinem Vorhaben an FAULHABER wandte. Die Projektteams auf beiden Seiten haben dann die Entwicklung von Motorserie und Handprothese gleichzeitig vorangetrieben. In Großbritannien und der Schweiz fanden regelmäßige Treffen der Entwicklerteams von STEEPER und FAULHABER statt. An diesen nahm auch der Vermittler der Treffen und ausschließlicher Vertriebspartner von FAULHABER in Großbritannien, Electro Mechanical Systems (EMS) teil. Aus dieser intensiven Zusammenarbeit sind schließlich ein DC Motor mit einem außergewöhnlichen Kraft-Volumen-Verhältnis sowie ein maßgeschneiderter Antrieb für den Daumen hervorgegangen, was diese ausführliche Kooperation bei der Entwicklung zu einem erfolgreichen Abschluss bringt.

Bestnoten für Leistung

Der neue DC Motor der Serie 1024 SR ist tatsächlich der Beste seiner Klasse und für seine Baugröße der Leistungsstärkste am Markt. Mit einem Durchmesser von 10 mm und 24 mm Länge liefert er ein Haltemoment von 4,6 mNm. Zudem bietet er durch die niedrige Drehzahl ein konstant hohes Drehmoment über den gesamten Geschwindigkeitsbereich. Die starke Leistung wird unter anderem durch die Entwicklung einer neuen Spulenkonstruktion ermöglicht, die 60 Prozent mehr Kupfer enthält als ihr Vorgänger und mit einem leistungsstarken Selten-Erden-Magneten kombiniert wurde. Um für eine möglichst geräuscharme Bewegung zu sorgen, hat die Kunsthand maßgeschneiderte Planetengetriebe der Serie 10/1 erhalten. „Eine besondere Herausforderung war zudem die Entwicklung des Linearantriebssystems, das in den Daumen integriert werden musste“, sagt Tiziano Bordonzotti, Vertriebsingenieur bei FAULHABER MINIMOTOR. Dank des hochpräzisen Vierpunktlagers der FAULHABER-Tochter Micro Precision Systems (MPS) konnte der Antrieb deutlich kürzer dimensioniert werden als bei der Konkurrenz. Die einzigartigen Eigenschaften des Vierpunktlagers ermöglichen es ihm, trotz geringerer Abmessungen gegenüber alternativen Lagerungssystemen, die für die Anwendung notwendig hohen Axialkräftestandzuhalten. Mit einer Gesamtbaulänge von weniger als 49mm kann der gesamte Daumenantrieb einer Axialkraft von bis zu 300 N standhalten. Von dem Ergebnis der Zusammenarbeit ist Ted Varley begeistert: „Die Bebionic-Hand in Größe S ist die realistischste myoelektronische Handprothese auf dem Markt. Ohne die enge Kooperation mit dem engagierten Projektteam von FAULHABER wäre es nicht möglich gewesen, dieses Projekt zu realisieren.“