Gelenkschienen nach dem Vorbild von Libellenflügeln

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Kiel – Ein Forschungsteam der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) hat eine flexible Gelenk­schiene entwickelt, die maximale Beweglichkeit und optimale Stabilität verbinden soll. Vorbild für die Konstruktion waren die hauchdünnen Flügel von Libellen, die während des Fluges großen äußeren Belastungen standhalten müssen. Die Wissenschaftler berichten in der Fachzeitschrift Applied Physics über die Arbeit (2021; DOI: 10.1007/s00339-021-04310-5).

Um unterschiedlichen Windströmungen und Kollisionen mit festen Gegenständen standzuhalten, müssen Labellenflügel gleichzeit belastbar und beweglich sein. „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 aus der Arbeitsgruppe „Funktionelle Morphologie und Biomechanik“ von Stanislav Gorb und Hamed Rajabi.

„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 Gorb. Die Oberfläche der Flügel ist durchzogen von Strängen aus sogenanntem Resilin, einem elastischen Protein, die zunächst eine große Bewegungsfreiheit erlauben.

Wird dabei jedoch ein gewisser Streckungswinkel überschritten, blockieren stachelförmige Stopper, die ebenfalls auf dem Flügel sitzen, eine weitere Bewegung. Stattdessen stützen die winzigen Stacheln nun die Flügel und verleihen ihnen die nötige Stabilität, um hohen Belastungen von außen standzuhalten.

Die Wissenschaftler entwickelten ein entsprechendes Scharnier aus Polymilchsäure. Durch ihr spezielles Design wiegt die Konstruktion aus dem leichten und dehnbaren Kunststoff nur 23 Gramm und lässt sie sich auf handelsübliche elastische Textilbandagen schnallen. Erst ab einem Winkel von 70 Grad blockiert ein Stopper die Handbewegung und stabilisiert das Gelenk, ganz ähnlich wie die Stopper auf den Libellen­flügeln.

Die Gelenkschiene lässt sich laut den Forschern kostengünstig per 3D-Druck-Verfahren herstellen und für Hand-, Ellenbogen- oder Kniegelenke anpassen. Jetzt sind die Forschenden auf der Suche nach Unter­nehmen, um ihre Gelenkschiene weiterzuentwickeln und auf den Markt zu bringen, zum Beispiel als integrierten Bestandteil von Textilbandagen. © hil/aerzteblatt.de