Flexible Gelenkschiene 15. Feb 2021 Von Bettina Reckter

Sportbandage nach dem Vorbild von Libellenflügeln

Die meisten Sportverletzungen sind Schäden an Muskeln, Knochen oder Sehnen. Normale Bandagen geben oft nicht genug Halt oder schränken die Bewegungsfreiheit ein. Optimale Stabilität und maximale Beweglichkeit verspricht nun eine Gelenkschiene, die ein Forschungsteam an der Universität zu Kiel entwickelt hat.

Handgelenksstütze, entwickelt von der Uni Kiel.
Foto: Ali Khaheshi

Verstauchungen, Zerrungen oder Überdehnungen machen rund 80 % der Sportverletzungen aus. Bei Handball, Basketball oder Gewichtheben ist besonders das Handgelenk betroffen. Herkömmliche Bandagen nutzen oft nichts. Sie schränken die Bewegung ein, ohne genügend Stabilität zu bieten.

Das soll sich ändern mit einer flexiblen Gelenkschiene, die ein Forschungsteam aus dem Zoologischen Institut der Universität zu Kiel entwickelt hat. Das Team ließ sich bei der Konstruktion inspirieren von den hauchdünnen Flügel der Libellen, die während des Fluges großen äußeren Belastungen standhalten müssen.

Einzigartige Eigenschaften der Libellenflügel

Libellenflügel müssen eine ganze Menge aushalten und trotzdem beweglich bleiben. Obwohl sie so filigran sind, müssen sie mit unterschiedlichen Windströmungen klarkommen und Kollisionen mit festen Gegenständen überstehen. „In der Natur ist diese Kombination tatsächlich weit verbreitet, in der Technik können Stabilität und Beweglichkeit in der Regel nicht zusammen realisiert werden“, erklärt Ali Khaheshi, Erstautor der Studie, die in der Zeitschrift Applied Physics erschienen ist.

Der Ingenieur und Materialwissenschaftler Khaheshi steht vor dem Abschluss seiner Promotion bei Stanislav Gorb und Hamed Rajabi in der Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“. Gemeinsam haben sie erforscht, wie eine Libelle die beiden Eigenschaften Stabilität und Beweglichkeit miteinander vereinen kann.

Winzige gelenkartige Verbindungen auf den Flügeln

„Die Erkenntnisse aus der Biologie liefern uns spannende Ideen für technische Lösungen: Bei der Libelle liegt der Schlüssel in winzigen, gelenkartigen Verbindungen auf ihren Flügeln“, erklärt Stanislav Gorb. Stränge des elastischen Proteins Resilin durchziehen die Oberfläche der Flügel. Sie erlauben eine große Bewegungsfreiheit. Ab einem bestimmten Streckungswinkel aber blockieren stachelförmige „Stopper“ auf dem Flügel eine weitere Bewegung. Diese winzigen Stacheln unterstützen dann die Flügel und sorgen für Stabilität, um hohen Belastungen standzuhalten.

„Als uns ein Teamkollege von seinen Handgelenkschmerzen beim Sport berichtete, wurden wir hellhörig und hatten den Eindruck, ein Konzept inspiriert von den Insektenflügeln könnte helfen“, sagt Hamed Rajabi.

Bionikprinzip auf Handbandage übertragen

Die Forscher entwickelten eine Art Scharnier aus Polymilchsäure (PLA, Polylactic acid). Die gesamte Konstruktion aus diesem leichten und dehnbaren Kunststoff wiegt gerade einmal 23 g. Sie kann auf handelsüblichen elastischen Textilbandagen fixiert werden. Erst ab einem Winkel von 70 Grad blockiert ein Stopper. Dieser Winkel wird etwa beim Gewichtheben erreicht.

Wie die Schiene auf Belastungen reagiert, untersuchte das Team in einem speziellen Testaufbau. Es zeigte sich, dass sie eine Krafteinwirkung von 320 Newton aushält. „Das heißt, damit lassen sich bis zu 32 kg stemmen, also mehr als das 1400-Fache ihres Eigengewichts. Wenn die Schiene aus härterem Material als PLA gefertigt wird, kann sie sogar Belastungen von bis zu 450 kg standhalten – das ist mehr als der Weltrekord im Gewichtheben“, so Khaheshi.

Kostengünstig aus dem 3-D-Drucker

Kostengünstig wird die Schiene durch Herstellung per 3-D-Druckverfahren. Sie lässt sich jeweils für Hand-, Ellenbogen- oder Kniegelenke anpassen. Auch medizinische Anwendungen sind denkbar. Ein weiterer Vorteil des Konzepts ist seine Kontrollierbarkeit: „Anders als bei einer nichtlinearen mechanischen Feder, die beim Zusammendrücken erst allmählich steifer wird, können wir gezielt und ohne Verzögerung zwischen dem ‚Bewegungs-‘ und dem ‚Stabilitätsmodus‘ wechseln“, so Rajabi. Das macht auch Anwendungen in der Robotik denkbar.

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