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Bionische Forschung an der Medizinischen Universität Innsbruck

In der vom Land Tirol geförderten interdisziplinären Machbarkeitsstudie „Bionic-Drive“ arbeiten die Abteilung für experimentelle Orthopädie der Universitätsklinik für Orthopädie Innsbruck, die Firma Sistro und das Ingenieursbüro Mintscheff gemeinsam an der Konstruktion und industriellen Umsetzung eines miniaturisierten stufenlosen Getriebes.

An der Abteilung für experimentelle Orthopädie steht die experimentelle und klinische Erforschung neuer Strategien zur Verbesserung von Operationstechniken, aber auch von technischen Hilfsmitteln im Bereich der Orthopädie im Mittelpunkt. Um wesentliche Verbesserungen in den Therapiemöglichkeiten zu erreichen, bedarf es dabei der interdisziplinären Zusammenarbeit. Auch in der laufenden „Bionic Drive“-Studie arbeiten MedizinerInnen, BiologInnen, IngenieurInnen und NaturwissenschafterInnen gemeinsam an der Entwicklung eines neuen stufenlosen Getriebes für eine neue Generation von Orthesen, also medizinischen Hilfsmitteln, die beispielsweise zur Stabilisierung, Entlastung, Ruhigstellung, Führung oder Korrektur von Gliedmaßen oder des Rumpfs verwendet werden.

Der Muskel als Vorbild für ein Mini-Getriebe

Bei der Entwicklung von aktiven Orthesen gelangen bestehende Antriebssysteme auf Grund der hohen Belastungen und des zu Verfügung stehenden kleinen Bauraums schnell an ihre Grenzen. Einerseits soll eine Orthese große Haltekräfte erzeugen können, andererseits sich aber auch im unbelasteten Zustand (z.B. während der Schwungphase beim Gehen) mit hoher Geschwindigkeit bewegen können. Mit klassischen, starren Getrieben lässt sich jedoch immer nur eine der beiden Eigenschaften erreichen. Soll eine Orthese sowohl hohe Kräfte als auch schnelle Bewegungen ermöglichen, muss der verwendete Motor überdimensioniert werden, was sich jedoch in einer höheren Gewicht und einen höheren Platzbedarf niederschlägt.

Vergleicht man das mit den Eigenschaften eines Muskels, ist es nicht verwunderlich, dass der Muskel, als „biologischer Motor“ genau die Eigenschaften hat, die benötigt werden. Nämlich die Erzeugung hoher Haltekräfte im Ruhezustand, und hohe Geschwindigkeiten bei kleinen Kräften. Diese nichtlineare Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung, die auf der Bindungsdynamik der Aktin- und Myosinfilamente auf molekularer Ebene basiert, ermöglicht es dem Muskel, einen sehr großen Arbeitsbereich abzudecken.

„Die Aufgabe der Bionik ist es nicht, den Muskel zu kopieren, sondern im ersten Schritt das grundlegende Prinzip, hier die Abhängigkeit von Kraft und Geschwindigkeit im Muskel, zu abstrahieren und zu untersuchen, welche Bedeutung es für die Erzeugung von Bewegungen hat. Im zweiten Schritt soll ein Weg gefunden werden, dieses Prinzip in einem technischen System umzusetzen“, erläutert Projektleiter Dr. Sebastian Klug, Biologe mit Schwerpunkt bionische Robotik und Mitarbeiter an der von Univ.-Prof. Michael Nogler geleiteten Experimentellen Orthopädie.

Obwohl das Prinzip eines stufenlosen Getriebes schon lange bekannt ist, erfordern die im geplanten Anwendungsbereich häufigen auftretenden Richtungs- und Lastwechsel und die Miniaturisierung eine komplett neue Konzeption und sehr genaue Analyse der erwarteten Belastungen und verwendeten Materialien. Die optimale Auslegung des Getriebes unter Berücksichtigung aller sich zum Teil widersprechenden Randbedingungen stellt eine große Herausforderung für das interdisziplinäre Projektteam dar.

(S.Klug)

Link:
Abteilung für experimentelle Orthopädie
https://www.i-med.ac.at/orthopaedie/experimentelle_orthopaedie/