{"id":167963,"date":"2019-03-21T13:09:42","date_gmt":"2019-03-21T12:09:42","guid":{"rendered":"https:\/\/innovationorigins.com\/?p=167963"},"modified":"2019-03-21T13:09:42","modified_gmt":"2019-03-21T12:09:42","slug":"orthesen-bandagen-und-flexible-robotik","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/ioplus.nl\/archive\/de\/orthesen-bandagen-und-flexible-robotik\/","title":{"rendered":"Von der Natur inspiriert: Bequemere Bandagen und flexible Robotik"},"content":{"rendered":"

Jeder, der schon mal einen gebrochenen Fu\u00df, einen B\u00e4nderriss oder eine R\u00fcckenverletzung hatte, kennt das Problem: Monatelang mit wenig eleganten und noch weniger bequemen Bandagen, Schienen oder Korsetten leben. Die sogenannten Orthesen stabilisieren die betroffenen Gelenke, Korsette helfen bei Fehlstellungen der Wirbels\u00e4ule. Da diese jedoch zum gro\u00dfen Teil aus harten und unflexiblen Materialien bestehen, sind sie nicht nur schwer und umst\u00e4ndlich an- und auszuziehen, sie f\u00fchren oft zu schmerzhaften Druckstellen und sogar zu Entz\u00fcndungen.<\/p>\n

An der Christian-Albrechts-Universit\u00e4t zu Kiel<\/a> (CAU) hat der Materialwissenschaftler Dr.-Ing. Michael Timmermann eine neue, biologisch inspirierte Methode entwickelt, elastische Materialien so zu strukturieren, dass sie sich versteifen, sobald sie gedehnt werden und anschlie\u00dfend in ihren Ursprungszustand zur\u00fcckzukehren. So sollen die Orthesen nicht nur bequemer werden, es sollen sich auch flexible Bauteile f\u00fcr die Soft-Robotik herstellen lassen.<\/p>\n

\u201eHarte Materialien k\u00f6nnen gerade bei \u00e4lteren Patienten dazu f\u00fchren, dass sie auf eine eigentlich notwendige Behandlung mit Orthesen verzichten\u201c, macht Dr.-Ing. Michael Timmermann deutlich. Sogenannte dehnungsversteifende Materialien k\u00f6nnten den Tragekomfort dagegen deutlich erh\u00f6hen: \u201eDiese Art von elastischen Materialien ist sehr flexibel. Werden sie \u00fcber einen bestimmten Punkt hinaus gedehnt, versteifen sie automatisch und verhalten sich dann wie feste Materialien\u201c, erkl\u00e4rt er ihre Vorteile. Solche Materialien sind zwar nicht ganz neu und existieren zum Beispiel bereits in speziellen Schutzkleidungen, in Orthesen sind sie jedoch bisher nicht einsetzbar. Sie sind zu weich und versteifen nur, wenn sie extrem schnell gedehnt werden. Au\u00dferdem k\u00f6nnen nicht immer in ihren Ursprungszustand zur\u00fcckkehren.<\/p>\n

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Inspiriert wurde die Lamellenstruktur des Materials von Vorg\u00e4ngen im Inneren von Zellen (oben). Das Zytoskelett (rot) sorgt f\u00fcr die Stabilit\u00e4t der Zelle. Dehnt sich die Oberfl\u00e4che, auf der sie haftet, aus, vernetzten sich die Fasern des Zytoskeletts (rot) mit Proteinen (blau) \u2013 die Zelle versteift sich. Wird das speziell strukturierte Material (unten) gedehnt, verbinden sich die parallel verlaufenden Lamellen. \u00a9 Timmermann<\/figcaption><\/figure>\n

Natur als Vorbild<\/h3>\n

Timmermann hat im Rahmen seiner Doktorarbeit eine Methode entwickelt, mit der sich beispielsweise Silikon so strukturieren l\u00e4sst, dass es sich unabh\u00e4ngig von der Geschwindigkeit versteift und auch in seinen Ursprungszustand zur\u00fcckkehren kann. Parallel verlaufende Lamellen werden dabei auseinandergezogen, kommen sie miteinander in Kontakt, versteift sich die Struktur wieder. Der Zeitpunkt und Grad der Versteifung l\u00e4sst sich durch eine gezielte Variation der Lamellenform bez\u00fcglich L\u00e4nge, Dicke oder den Abstand zueinander genau bestimmen.<\/p>\n

Das Verfahren kann bei allen elastischen Materialien ohne chemische Zusatzstoffe wie Gleitmittel angewendet werden. \u00c4u\u00dferen Faktoren wie Luftfeuchtigkeit oder Temperatur haben keinen Einfluss. \u201eMan kann das Ausgangsmaterial also relativ frei w\u00e4hlen, je nachdem, wof\u00fcr es nachher eingesetzt werden soll\u201c, erl\u00e4utert Timmermann.<\/p>\n

Timmermann wurde bei der Entwicklung des Verfahrens von der Natur inspiriert. Nat\u00fcrliche Zellen, wie zum Beispiel Blutgef\u00e4\u00dfe, bestehen aus einer speziell angeordneten internen Struktur, dem Zytoskelett. Dieses Netzwerk aus Polymerfasern sorgt f\u00fcr die mechanische Stabilit\u00e4t der Zelle. Werden Zellen immer wieder gedehnt, z.B. als Teil des Bindegewebes oder durch den Pulsschlag, passen sie sich an, indem sie sogenannte Stressfasern bilden: Proteine verbinden die Polymerfasern untereinander, stabilisieren sie so und die Zelle versteift sich, um sich selbst zu sch\u00fctzen. Timmermann untersuchte im Rahmen seiner Doktorarbeit, wie man die Vorg\u00e4nge im Inneren der Zelle auf das Verhalten von elastischen Materialien \u00fcbertragen kann.<\/p>\n

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Das Material kehrt in seinen urspr\u00fcnglichen Zustand zur\u00fcck.
\u00a9 Siekmann, CAU<\/figcaption><\/figure>\n

Auch in flexibler Soft-Robotik einsetzbar<\/h3>\n

Die von Timmermann entwickelte Methode k\u00f6nnte in Zukunft nicht nur f\u00fcr bequemere Orthesen, sondern auch im Bereich Soft-Robotik angewendet werden. Es k\u00f6nnten sowohl Robotik-Systeme entwickelt werden, die auf der klassischen Kombination von starren Achsen und Gelenken basieren, als auch solche, die flexible Bewegungen \u2013 \u00e4hnlich den Tentakeln von Tintenfischen \u2013 erm\u00f6glichen. \u201eDaf\u00fcr m\u00fcssen sich Robotik-Systeme sehr frei und gleichzeitig sehr gezielt bewegen k\u00f6nnen. Hier k\u00f6nnte unsere Struktur mit ihrem wahlweise flexiblen oder steifen Verhalten einen hilfreichen Beitrag leisten\u201c, hofft Timmermann.<\/p>\n

Langfristig hat sich der Wissenschaftler zum Ziel gesetzt, eine Software zu entwickeln, \u201edie f\u00fcr jede Einsatzm\u00f6glichkeit dehnungsversteifender Materialien die passende Kombination aus Ausgangsmaterial und geometrischer Struktur ermittelt\u201c. Passgenau hergestellt werden k\u00f6nnte es durch 3D-Druckverfahren. \u201eZun\u00e4chst bin ich aber auf der Suche nach Kooperationspartnern aus dem Bereich Orthop\u00e4die und Industrie, um gemeinsam eine Orthese zu entwickeln, die den Tragekomfort bei Patientinnen und Patienten erh\u00f6ht.\u201c<\/p>\n

Gef\u00f6rdert wurde das Vorhaben unter dem Titel \u201eStrainstiff\u201c vom Europ\u00e4ischen Forschungsrat mit einem sogenannten Proof-of-Concept-Grant in H\u00f6he von rund 150.000 Euro. Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung sollen damit schneller in die Anwendung gebracht werden.<\/p>\n

Timmermann stellt seine Methode auf der Hannover Messe vom 1. bis 5. April am Stand der CAU vor (Halle 2, C07).<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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