Eine bio­in­spi­rier­te künst­li­che Hand mit Mus­kel- und Ner­ven­dräh­ten aus NiTi

S. Seelecke, F. Simone
In dieser Arbeit wird ein erster Prototyp einer 3-D-gedruckten künstlichen Hand mit Muskeln aus NiTi-Formgedächtnisdrähten vorgestellt. Aktordrähte aus Formgedächtnislegierungen kontrahieren bei Erwärmung und lassen sich bei Abkühlung wieder dehnen. Sie besitzen ein extrem hohes Arbeitsvermögen und ermöglichen dadurch den Aufbau äußerst leichtgewichtiger und kompakter Systeme. Darüber hinaus gestatten sie durch die Drahtform den Aufbau bioinspirierter muskelartiger Antriebe, die in Zukunft zu leichtgewichtigen, flexiblen und greifstarken Prothesen beitragen können. In diesem Beitrag wird ein Bündelkonzept aus elektrisch geheizten dünnen Drähten mit großer Oberfläche zur Kraftskalierung vorgestellt, um der üblicherweise langsamen Abkühlung von Drähten mit großem Durchmesser entgegenzuwirken. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die verwendeten NiTi-Muskeldrähte auch sensorische Eigenschaften haben und dadurch auch als ihre eigenen „Nerven“ zur Positionsbestimmung eingesetzt werden können.

Ein­lei­tung

Die Ent­wick­lung der letz­ten Jah­re ver­zeich­net einen rasan­ten Anstieg der Zahl vor­ge­stell­ter künst­li­cher Hän­de, die in zuneh­men­dem Maße auch in der Pro­the­tik Anwen­dung fin­den. Typi­scher­wei­se wer­den die­se Pro­the­sen durch elek­tri­sche Moto­ren ange­trie­ben und pro­du­zie­ren hohe Kräf­te und hohe Ver­stell­ge­schwin­dig­kei­ten 1. Nen­nens­wer­te Bei­spie­le sind die iLim­bHand 2 von Touch Bio­nics, im Jah­re 2007 vor­ge­stellt, die Bebio­nic-Hand 3 von Stee­per (2011) und die Michel­an­ge­lo-Hand 4 von Otto Bock (2012). Ein wei­te­res inter­es­san­tes Kon­zept ist die Hack­ber­ry-Hand von Exiii 5, die per 3‑D-Druck und Open-Source-Ansatz die Kos­ten sol­cher Hän­de dras­tisch zu ver­rin­gern sucht. Aller­dings ist die Anwen­der­zu­frie­den­heit mit die­sen per elek­tri­schem Motor ange­trie­be­nen Hän­den noch stei­ge­rungs­fä­hig; bemän­gelt wer­den u. a. die hohe Stei­fig­keit die­ser Hän­de, hohes Gewicht, Geräusch­ent­wick­lung sowie die unna­tür­li­che, robo­ter­haf­te Hap­tik 6.

Aus die­sen Grün­den sucht die For­schung ver­stärkt nach alter­na­ti­ven Antrie­ben. Eine die­ser Alter­na­ti­ven ist die Ver­wen­dung von Form­ge­dächt­nis­le­gie­run­gen (FGL). Akto­ren aus Legie­run­gen wie z. B. Nickel-Titan zeich­nen sich durch die höchs­te Ener­gie­dich­te aller bekann­ten Antriebs­me­cha­nis­men aus 7 und las­sen sich in Draht­form als „metal­le­ne Mus­keln“ ein­set­zen. Ver­schie­de­ne Ansät­ze mit sol­chen FGL-Dräh­ten, die ther­misch, etwa durch die Joule’sche Wär­me eines elek­tri­schen Stro­mes, akti­viert wer­den, sind bereits vor­ge­stellt wor­den. Ein Design, das Nylon­schnü­re ver­wen­det, die mit FGL-Dräh­ten ver­bun­den sind, wur­de in meh­re­ren Stu­di­en 8 9 10 vor­ge­stellt. Hier sind FGL-Dräh­te im Arm­be­reich unter­ge­bracht, was aller­dings den not­wen­di­gen Bau­raum ver­grö­ßert. In einer wei­te­ren Stu­die 11 wur­de ein Ansatz vor­ge­stellt, der die FGL-Dräh­te zum Beu­gen in den Fin­gern unter­bringt; die Rück­stel­lung erfolgt durch Federn.

Ana­ly­siert man die vor­ge­stell­ten FGL-Ansät­ze, so stel­len sich als Haupt­nach­tei­le die gerin­ge erziel­te Kraft an der Fin­ger­spit­ze und die durch das lang­sa­me Abküh­len der Dräh­te beding­te gerin­ge Geschwin­dig­keit her­aus 12. Dar­über hin­aus wer­den zum Mes­sen der Fing­erwin­kel­be­we­gung zusätz­li­che Sen­so­ren ver­wen­det, was das Gewicht der Hän­de wie­der­um erhöht.

Im Rah­men die­ser Arbeit wird ein neu­ar­ti­ges Kon­zept für eine FGL-ange­trie­be­ne 3‑Fin­ger-Hand vor­ge­stellt, das durch Bün­de­lung meh­re­rer dün­ner Dräh­te (Durch­mes­ser 100 μm) die Kraft in gewis­sen Berei­chen belie­big ska­lie­ren kann, wäh­rend der gerin­ge Draht­durch­mes­ser das für hohe Abkühl­ra­ten erfor­der­li­che gro­ße Ober­flä­chen-Volu­men-Ver­hält­nis bewahrt. Zusätz­lich wird gezeigt, dass durch Mes­sung des elek­tri­schen Wider­stands wäh­rend der Aktu­ie­rung ein intrinsi­scher Sen­sor­ef­fekt genutzt wer­den kann, der gestat­tet, die Posi­ti­on des Fin­gers ohne exter­ne Sen­so­ren zu ermitteln.

FGL als Akto­ren und Sensoren

Form­ge­dächt­nis­le­gie­run­gen wie bei­spiels­wei­se Nickel-Titan (NiTi) ermög­li­chen, spe­zi­ell mit Akto­ren in Draht­form, die Erzeu­gung größ­ter Kräf­te bei für Metal­le außer­ge­wöhn­li­chen Län­gen­än­de­run­gen von bis zu 4 %. Bei­spiels­wei­se ist ein NiTi-Draht mit dem Durch­mes­ser eines Haa­res (100 µm) in der Lage, infol­ge elek­tri­scher Hei­zung Kräf­te von etwa 2 N zu gene­rie­ren. Das typi­sche Span­nungs-Deh­nungs-Ver­hal­ten eines sol­chen Drah­tes bei Akti­vie­rung mit unter­schied­li­chen elek­tri­schen Leis­tun­gen ist Abbil­dung 1 oben zu entnehmen.

Beson­ders inter­es­sant sind die­se Mate­ria­li­en, weil sie neben dem hohen Arbeits­ver­mö­gen gleich­zei­tig sen­so­ri­sche Fähig­kei­ten besit­zen. In Abbil­dung 1 unten erkennt man, dass sich trotz des stark hys­te­re­se­be­haf­te­ten mecha­ni­schen Ver­hal­tens eine ein­deu­ti­ge Bezie­hung zwi­schen elek­tri­schem Wider­stand und Län­gen­än­de­rung erken­nen lässt und sich Letz­te­re somit elek­trisch ohne wei­te­re Sen­so­rik leicht bestim­men lässt. Die­ses auch als „self­sen­sing“ bezeich­ne­te Ver­hal­ten macht FGL-Dräh­te zu extrem viel­sei­ti­gen, mul­ti­funk­tio­na­len Werk­stof­fen, die in Zusam­men­hang mit einer künst­li­chen Hand also nicht nur als künst­li­che Mus­keln ein­ge­setzt wer­den kön­nen, son­dern zugleich auch als Nerven.

Bio­in­spi­rier­tes Design

Neben ihren viel­sei­ti­gen akto­ri­schen und sen­so­ri­schen Eigen­schaf­ten ermög­li­chen FG-Akto­ren ins­be­son­de­re den Auf­bau künst­li­cher Hän­de, die ohne Antrie­be aus­kom­men, wie sie übli­cher­wei­se aus dem Maschi­nen­bau bekannt sind. Dazu zäh­len elek­tri­sche Moto­ren, die bei ent­spre­chen­der Kraft­ent­wick­lung schnell groß und schwer­ge­wich­tig wer­den, oder pneu­ma­ti­sche Antrie­be, die kom­pri­mier­te Luft mit ent­spre­chen­den Druck­ni­veaus erfor­dern, was bei­des bei mobi­len Lösun­gen nicht wün­schens­wert ist.

Dem­ge­gen­über las­sen sich mit FG-Aktor­dräh­ten extrem leicht­ge­wich­ti­ge und fle­xi­bel ver­leg­ba­re, platz­spa­ren­de Lösun­gen ent­wer­fen, die sich zudem an Mus­kel- und Bän­der­kon­zep­ten ori­en­tie­ren kön­nen, die die Natur in vie­len Mil­lio­nen Jah­ren erfolg­reich opti­miert hat.

In Ver­bin­dung mit moder­nen 3‑D-Druck-Tech­no­lo­gien las­sen sich somit ers­te Pro­to­ty­pen für Hand­pro­the­sen her­stel­len, die durch Ver­wen­dung von Mus­kel- und Ner­ven­dräh­ten dem mensch­li­chen Vor­bild immer näher kom­men. Der in die­ser Arbeit doku­men­tier­te Pro­to­typ ist der ers­te Ansatz eines sol­chen Kon­zepts und wur­de erst­ma­lig auf der Han­no­ver­mes­se 2015 vorgestellt.

Fin­ger­auf­bau

Der Auf­bau einer fle­xi­blen und kraft­vol­len Hand beginnt mit dem Fin­ger. Abbil­dung 2 zeigt Ober- und Unter­sei­te eines sol­chen FG-ange­trie­be­nen Fin­gers als CAD-Modell (außen) sowie als Mus­kel­kon­zept (innen). In der Abbil­dung erkennt man die Anord­nung meh­re­rer NiTi-Dräh­te des Typs Flexi­nol® (Dynal­loy, Inc., Tus­tin, CA) 13, die als Beu­ger- und Stre­cker­mus­keln fun­gie­ren. Der gel­be Draht wird zur Krafter­hö­hung mehr­fach zwi­schen „Hand­flä­che“ und vor­ders­tem Fin­ger­glied gewi­ckelt, wäh­rend der blaue Draht den Antrieb des zwei­ten Fin­ger­glieds ermög­licht. Bei­de befin­den sich auf der Hand­un­ter­sei­te und die­nen zur Beu­gung des Fin­gers. Auf der Hand­ober­sei­te befin­det sich der in Abbil­dung 2 (innen links) dar­ge­stell­te rote Draht, der die Stre­cker­funk­ti­on sowie – abwech­selnd mit dem gelb­blau­en Draht­paar – durch elek­tri­sche Behei­zung und anschlie­ßen­de Abküh­lung die Bewe­gung des Fin­gers übernimmt.

In Abbil­dung 3 ist im Foto ein per 3‑D-Druck rea­li­sier­ter Pro­to­typ zu erken­nen, der das obi­ge Kon­zept durch geeig­ne­te Draht­füh­rung ober- bzw. unter­halb der Gelenk­dreh­punk­te realisiert.

Hand­auf­bau

Der ers­te Hand­pro­to­typ, zu sehen in Abbil­dung 4, ist durch einen modu­la­ren Auf­bau mit drei iden­ti­schen Fin­gern rea­li­siert, von denen einer als Dau­men fun­giert, wäh­rend zwei als Zei­ge- und Mit­tel­fin­ger aus­ge­bil­det sind. Abbil­dung 4 oben zeigt das CAD-Modell, wäh­rend unten der 3‑D-gedruck­te Pro­to­typ zu sehen ist. Dabei las­sen sich ins­be­son­de­re mit mul­ti­ma­te­ri­al­fä­hi­gen Dru­ckern auch wei­che Fin­ger­kup­pen aus Mate­ria­li­en mit gerin­ger Shorehär­te zur Ver­bes­se­rung der Greif­fä­hig­keit vor­teil­haft einsetzen.

Ergeb­nis­se

Ein Gefühl für die Beweg­lich­keit des Hand­pro­to­typs ver­mit­telt Abbil­dung 5 In der obe­ren Rei­he ist die Aktu­ie­rung eines Fin­gers gezeigt, bei dem links der Stre­cker akti­viert ist und dann nach rechts zunächst das ers­te und dann das zwei­te Fin­ger­glied akti­viert wer­den, um ganz rechts die gemein­sa­me Bewe­gung bei­der Fin­ger­glie­der zu zei­gen. Die zwei­te Rei­he illus­triert auf ana­lo­ge Art und Wei­se die Bewe­gung des Dau­mens. Ein Video des gezeig­ten Ver­hal­tens ist z. B. unter 14 zu sehen.

Wäh­rend Abbil­dung 5 die „Mus­kel­ei­gen­schaf­ten“ der ver­wen­de­ten NiTi-Dräh­te demons­triert, liegt der Fokus in Abbil­dung 6 auf den sen­so­ri­schen Eigen­schaf­ten. In der obe­ren Rei­he der Abbil­dung ist das Steu­er­si­gnal in Form des elek­tri­schen Leis­tungs­ver­laufs zu erken­nen, bei dem zunächst der ant­ago­nis­ti­sche Stre­cker (grün) akti­viert wird, um danach von den bei­den prot­ago­nis­ti­schen Beu­ge­mus­keln (rot und blau) abge­löst zu wer­den, um schließ­lich wie­der in den gera­den Zustand zurück­zu­keh­ren. Die zuge­hö­ri­ge Bewe­gungs­fol­ge ist den Fotos in der unte­ren Rei­he zu ent­neh­men, die zu den mit „Frame 1–4“ gekenn­zeich­ne­ten Zeit­punk­ten im Dia­gramm gehören.

Die sen­so­ri­schen Eigen­schaf­ten erkennt man in dem ent­spre­chen­den elek­tri­schen Wider­stands­si­gnal in der mitt­le­ren Rei­he. Zunächst beob­ach­tet man zusam­men mit dem Anstieg der elek­tri­schen Leis­tung einen Abfall des Wider­stands im akti­vier­ten Draht. Dies resul­tiert aus einer Pha­sen­trans­for­ma­ti­on im Draht, bei der die bei Raum­tem­pe­ra­tur vor­lie­gen­de Mar­ten­sit­pha­se in Aus­te­nit umge­wan­delt wird, die einen um bis zu 30 % gerin­ge­ren Wider­stand besitzt und damit den tem­pe­ra­tur­be­ding­ten Anstieg mehr als kom­pen­siert. Zusätz­lich erkennt man bei Betrach­tung der grü­nen Kur­ve, dass der Wider­stand im Ant­ago­nis­ten im Zeit­raum von 5 bis 25 Sekun­den wäh­rend der Akti­vie­rung der bei­den Beu­ger steigt. Dies resul­tiert aus der damit ver­bun­de­nen Stre­ckung die­ses Drah­tes, der im nun­mehr abge­kühl­ten Zustand auch die­se Län­gen­än­de­rung als Wider­stands­si­gnal anzeigt. Anhand die­ser Kur­ven lässt sich in Echt­zeit die Kon­trak­ti­on der ein­zel­nen Mus­kel­dräh­te über­wa­chen und die ent­spre­chen­de Fin­ger­be­we­gung ohne wei­te­re Sen­so­ren rekonstruieren.

Zusam­men­fas­sung

In die­ser Arbeit wur­de ein ers­ter Pro­to­typ einer 3‑D-gedruck­ten künst­li­chen Hand mit Aktor­dräh­ten aus der Form­ge­dächt­nis­le­gie­rung Nickel-Titan vor­ge­stellt. Die­se Aktor­dräh­te ver­fü­gen über eine extre­me Ener­gie­dich­te und las­sen sich als durch elek­tri­schen Strom­fluss akti­vier­te „metal­le­ne Mus­keln“ auf bio­ni­sche Art und Wei­se in den Hand­pro­to­typ inte­grie­ren. Durch ihr gerin­ges Gewicht und ihre gro­ße Kraft­ent­wick­lung gestat­ten sie den Auf­bau äußerst effi­zi­en­ter und viel­sei­ti­ger Greif­sys­te­me, die in Zukunft Pro­the­sen mit deut­lich höhe­rem Tra­ge­kom­fort zur Stei­ge­rung der Pati­en­ten­le­bens­qua­li­tät ermög­li­chen. Zusätz­lich fun­gie­ren die ver­wen­de­ten NiTi-Dräh­te durch ein ent­spre­chen­des elek­tri­sches Wider­stands­si­gnal zeit­gleich auch als „Ner­ven“ und gestat­ten somit eine Infor­ma­ti­on über die jeweils aktu­el­le Kon­trak­ti­on der Mus­kel­dräh­te, was eine gere­gel­te Ansteue­rung ohne zusätz­li­che Posi­ti­ons­sen­so­ren ermöglicht.

Für die Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Ste­fan Seelecke
Lehr­stuhl für Intel­li­gen­te Materialsysteme,
Uni­ver­si­tät des Saarlandes,
Zen­trum für Mecha­tro­nik und Automatisierungstechnik
Gewer­be­park Eschber­ger Weg, Geb. 9
66121 Saar­brü­cken
stefan.seelecke@imsl.uni-saarland.de

Begut­ach­te­ter Beitrag/reviewed paper

Zita­ti­on
Seelecke S, Simo­ne F. Eine bio­in­spi­rier­te künst­li­che Hand mit Mus­kel- und Ner­ven­dräh­ten aus NiTi. Ortho­pä­die Tech­nik, 2016; 67 (5): 62–66
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