Das neue bionische Bein ermöglicht Amputierten problemloses Gehen, ist leicht, leistungsstark und kann seinen eigenen Strom erzeugen

Im Leben kann jeder mehr oder weniger schwere Schicksalsschläge erleiden, wie etwa Autounfälle, Brände, Krankheiten usw., die gewisse materielle Verluste nach sich ziehen können.

Schlimmer noch: Diese Unglücksfälle könnten dazu führen, dass Millionen oder sogar noch mehr Menschen ihre Gliedmaßen verlieren, die ihnen die Fortbewegung ermöglichen, und dass sie in einer Welt des materiellen Überflusses keine geistige Erfüllung mehr finden können.

Nun verspricht ein neuer Typ bionischer Beine (motorisierte Beinprothese) eine deutliche Steigerung der Mobilität von Amputierten.

Ein Forschungsteam der University of Utah hat ein bionisches Bein für Amputierte mit Biomechanik der Knie-, Knöchel- und Zehengelenke entwickelt. Das bionische Bein ist nicht nur leicht, sondern kann beim Gehen des Trägers auch Energie regenerieren und so die Betriebsdauer der internen Batterie verlängern.

Darüber hinaus haben präklinische Versuche gezeigt , dass das bionische Bein normale Gehaktivitäten mit nahezu standardmäßiger Kinematik und Dynamik ausführen kann und Amputierten das Gehen auf ebenem Boden und Treppen erleichtert.

Die zugehörige Forschungsarbeit mit dem Titel „Eine leichte Roboter-Beinprothese, die die Biomechanik von Knie-, Knöchel- und Zehengelenk nachbildet“ wurde als Titelartikel in der Fachzeitschrift Science Robotics veröffentlicht. Tommaso Lenzi, Assistenzprofessor in der Abteilung für Maschinenbau an der University of Utah, ist der korrespondierende Autor des Artikels.

(Quelle: Science Robotics)

Berichten zufolge soll das bionische Bein Amputierten dabei helfen, bei voller Ladung 15.460 Schritte zu gehen (die durchschnittliche Schrittzahl eines normalen Menschen liegt bei 7.500–10.000 pro Tag). Es ist für Amputierte mit einer Körpergröße zwischen 1,60–1,91 Metern und einem Gewicht zwischen 59–91 Kilogramm geeignet.

Leicht, flexibel, selbsterzeugend

Wie der Name schon sagt, können bionische Beine die Mobilität und Lebensqualität von Patienten mit Gliedmaßenamputationen verbessern, indem sie die Biomechanik der fehlenden Gliedmaße nachahmen.

Allerdings handelt es sich in früheren Studien bei den meisten Prothesen, die von Patienten mit Oberschenkelamputationen verwendet werden, um passive, mikroprozessorgesteuerte Geräte, die die wichtigsten biomechanischen Funktionen des fehlenden biologischen Beins, wie etwa die aktive Erzeugung von Bewegungen oder die Einspeisung von Energie in den Gangzyklus, nicht gut nachbilden können.

Darüber hinaus haben biomechanische Simulationen und nicht-computergestützte Einzelexperimente gezeigt, dass das Sprunggelenk des Unterschenkels beim Gehen eine beträchtliche positive Nettoenergie liefern kann. Wenn das Sprunggelenk beschädigt ist oder fehlt, muss der Amputierte die fehlende Knöchelenergie durch zusätzliche Kraftzufuhr zu den verbleibenden und intakten Gliedmaßen kompensieren, was zu einem unnatürlichen, asymmetrischen und sogar ineffektiven Gangbild führt.

Für Amputierte ist das Gehen mit herkömmlichen Prothesen daher recht anstrengend und auch das Treppensteigen, das Bewältigen von Abhängen, das Aufstehen, Hinsetzen usw. ist eine größere Herausforderung.

(Quelle: Pixabay)

Obwohl herkömmliche motorbetriebene Prothesen Amputierten eine gewisse Kraft bieten können, sind sie auch schwerer und größer als passive Prothesen und haben eine kürzere Batterielebensdauer, was ihre klinische Durchführbarkeit und Praktikabilität stark einschränkt.

In früheren Forschungsarbeiten entwickelte Lenzis Team ein leichtes, motorbetriebenes Exoskelett, das mithilfe von Motoren, Mikroprozessoren und hochentwickelten Algorithmen Menschen mit Amputationen der unteren Gliedmaßen beim Gehen hilft, ähnlich wie ein Elektrofahrrad dem Fahrer beim Bergauffahren hilft .

In dieser Studie ging Lenzis Team noch einen Schritt weiter und replizierte die wichtigsten biomechanischen Funktionen des biologischen Knies, Knöchels und der Zehen in der Sagittalebene, während es gleichzeitig hinsichtlich Gewicht, Größe und Batterielebensdauer das Niveau herkömmlicher mikroprozessorgesteuerter Prothesen erreichte.

Abbildung ｜ Drei Oberschenkelamputierte gehen auf einem Laufband und Treppen. (Quelle: Dieses Dokument)

Dem Dokument zufolge verwendet das motorisierte Kniegelenk einen einzigartigen Drehmomentsensormechanismus, der die Vorteile einer elastischen Bremse und einer variablen Übertragung kombiniert.

Abbildung ｜Wichtigste elektrische und mechanische Komponenten im Kniemodell. (Quelle: Dieses Dokument)

Darüber hinaus kann ein einzelner Aktuator sowohl das Knöchel- als auch das Zehengelenk über einen kompatiblen, unteraktuierten Mechanismus antreiben.

Abbildung ｜Wichtigste elektrische und mechanische Komponenten im Knöchelmodell. (Quelle: Dieses Dokument)

Während der Träger geht, regeneriert das unteraktuierte System nicht nur erhebliche Mengen mechanischer Energie, sondern repliziert auch wichtige biomechanische Funktionen des Knöchel-/Fußkomplexes.

Darüber hinaus sind alle mechanischen und elektrischen Komponenten in einen kompakten Prothesenrahmen integriert, was die Robustheit und Effizienz des bionischen Beins erhöht.

Abbildung ｜ Echtes Bild des bionischen Beins und der wichtigsten elektrischen und mechanischen Komponenten im bionischen Beinmodell. (Quelle: Dieses Dokument)

Im passiven Modus kann das bionische Bein bei jedem Schritt des Trägers 2 J elektrische Energie regenerieren, sodass unbegrenztes Gehen möglich ist, auch wenn die Batterie leer ist. In der realen Welt ist dies eine sehr wichtige Funktion, da Amputierte manchmal vergessen, ihr Ladegerät mitzubringen oder ihre Prothesen aufzuladen. Dies war in der bisherigen bionischen Beinforschung nicht möglich.

Daher ist das Forschungsteam davon überzeugt, dass bionische Beine mit diesen Eigenschaften das Potenzial haben, die praktische Mobilität von Menschen mit Oberschenkelamputationen zu verbessern. Dazu gehören auch ältere Menschen und Teilnehmer mit Gefäßerkrankungen, denen die Kraft und das Gleichgewicht fehlen, die für die Verwendung schwerer motorisierter Geräte erforderlich sind.

Kann es jeder benutzen?

Obwohl das bionische Bein eine bessere Leistung als andere mechanische Beinprothesen gezeigt hat, gibt es in einigen Bereichen noch Verbesserungsbedarf.

Beispielsweise kann das bionische Bein die Knöchel- und Zehengelenke nicht unabhängig voneinander steuern, und das Verhältnis zwischen Knöchel- und Zehendrehmoment ist festgelegt und kann nicht je nach den Bedürfnissen oder Vorlieben des Benutzers geändert werden.

Simulationsergebnisse zeigen, dass flexiblere Federn die dynamische Leistung und die elektrische Effizienz verbessern können, längere Federn jedoch auch eine Verringerung des Bewegungsbereichs der Knöchel- und Zehengelenke bedeuten.

Darüber hinaus erhöht das Hinzufügen von Zehengelenken das Gewicht des bionischen Beins, selbst wenn ein unteraktuiertes Design gewählt wird. Daher sind Vergleichsstudien mit und ohne Zehengelenke oder mit unterschiedlichen Knöchel-/Zehendrehmomentverhältnissen erforderlich, um die Auswirkungen der Zehengelenke auf die klinischen Ergebnisse zu bewerten.

Darüber hinaus verfügt dieses bionische Beindesign, ähnlich wie die meisten mikroprozessorgesteuerten und motorbetriebenen Knöchelgelenke/-prothesen, nicht über eine Betätigung in der Frontalebene. Obwohl ein erhöhter Frontalebenenantrieb die Größe und das Gewicht der Prothese erhöhen kann, kann er auch die klinischen Ergebnisse verbessern, insbesondere beim Gehen auf Hängen und unebenem Gelände. Um dies weiter zu bestätigen, sind weitere Studien erforderlich.

Vielleicht ist es noch ein weiter Weg, bis jeder seine Nutzung individuell anpassen kann.

Link zum Artikel:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abo3996