Forskerteam udvikler ledskinner til sport og medicin inspireret af guldsmedevinger

Omkring 80% af sportsskader er såkaldte muskuloskeletale skader, for eksempel forstuvninger, belastninger eller overstrækning. Sådanne skader kan forekomme især i sportsgrene med store belastninger på håndleddet, såsom håndbold, basketball eller vægtløftning. Konventionelle understøtninger giver enten ikke nok stabilitet eller begrænser ledets mobilitet for meget. Et forskerhold fra Zoological Institute ved Kiel University (CAU) har nu udviklet en fleksibel ledskinne, der kombinerer maksimal mobilitet og optimal stabilitet. Kilden til deres inspiration var guldsmede's ultratynde vinger, som skal modstå betydelige ydre belastninger under flyvning. Deres undersøgelse blev offentliggjort i går i tidsskriftet Anvendt fysik A . Nu ønsker forskerne at bringe deres design i praksis, et patent er allerede indgivet.

Inspireret af de unikke egenskaber ved guldsmedevinger

Rent faktisk, forskerne undersøger de fascinerende egenskaber ved guldsmedevinger:At modstå forskellige vindstrømme og kollisioner med faste genstande, de skal være både stabile og modstandsdygtige. "Inden for teknik, stabilitet og mobilitet er ofte to gensidigt udelukkende funktioner, der henviser til, at de i naturen er meget almindelige, "siger Ali Khaheshi, undersøgelsens første forfatter. Ingeniøren og materialeforskeren er ved at færdiggøre sin ph.d. med professor Stanislav Gorb og Dr. Hamed Rajabi forskningsgruppe "Funktionel morfologi og biomekanik." Sammen har de undersøgt, hvordan guldsmeden formår at kombinere begge egenskaber.

"Resultaterne fra biologi viser os spændende ideer til tekniske løsninger:I tilfælde af guldsmede, nøglen er de ledlignende forbindelser i deres vinger, "forklarer Gorb. De er vævet sammen med pletter af det elastiske proteinharpiks, som i første omgang tillader stor bevægelsesfrihed. hvis en vis forlængelsesvinkel overskrides, stive kutikulære pigge på vingen blokerer en yderligere bevægelse ved sammenlåsning. De understøtter nu leddet og giver vinger den nødvendige stabilitet til at modstå høje belastninger.

"Da en teamkollega fortalte os om smerterne i håndleddet under sport, vi erkendte, at vores vingeinspirerede koncept kan give en løsning ", rapporterer Rajabi. For at overføre princippet fra naturen til en støttende og alligevel mobil håndledsskinne, de udviklede en slags hængsel lavet af polymælkesyre (PLA). Takket være dets særlige design, konstruktionen af ​​den lette og fleksible plast vejer kun 23 gram. Det betyder, at den kan spændes på standard elastiske tekstilindpakninger og begrænser ikke den naturlige bevægelse af hånden. Kun fra en vinkel på 70 grader - det er, hvor langt håndled er bøjet for vægtløftning - blokerer en pigge bevægelsen og stabiliserer leddet under den ydre belastning, ligner pigge i guldsmede vinger.

Ansøgninger inden for medicin og robotik er også mulige

I en særlig testopsætning, forskergruppen undersøgte, hvordan deres ledskinne modstod bøjningen og den ydre kraft. "Testene viste, at vores skinne har en bæreevne på omkring 320 Newton, hvilket betyder omkring 32 kilo, hvilket er mere end 1300 gange af skinnens egen vægt. Hvis strukturen er lavet af stærkere materialer end PLA, den kunne modstå belastninger på op til 450 kg, hvilket ville være meget højere end den kraft, verdensrekorden for vægtløftning oplever, "siger Khaheshi.

Leddeskinnen kan produceres let og omkostningseffektivt ved hjælp af 3D-print og kan justeres for hånd, albue eller knæled. Dette tillader også medicinske applikationer efter skader, for eksempel når led kun skal bøje og strække sig i begrænset omfang. En anden fordel ved designet er, at det er let at styre. "I modsætning til en ikke -lineær mekanisk fjeder, som gradvist bliver stivere, når den komprimeres, vi kan skifte mellem mobiltilstand og understøttelsestilstand uden tidsforsinkelse, "siger Rajabi. Dette gør den også til en egnet kandidat til robotapplikationer.

Leder efter industrielle partnere

Nu leder forskerne efter industrielle partnere til at udvikle deres fælles skinne yderligere og bringe den på markedet, for eksempel som en integreret komponent i tekstilbandager. De har allerede patent på deres koncept. "Biologiske systemer er langt mere komplekse, end man ofte tror ved første øjekast. Som et resultat, de har unikke egenskaber, hvorfra vi kan lære helt nye metoder til andre områder, "siger Khaheshi, opsummerer sin interesse for forskningsområdet biomekanik.