Energy Storage Characteristics of Leaf and Bioinspired Saddle Shaped Springs for Ankle–Foot Prostheses

Das Gehen ist ein rhythmischer Energieaustausch. Mit jedem Schritt speichert der menschliche Körper mechanische Energie, wenn der Fuß aufsetzt, und gibt sie wieder ab, um den nächsten Schritt voranzutreiben. Für Menschen, die einen Fuß oder einen Teil eines Beins verloren haben, müssen künstliche Gliedmaßen diesen empfindlichen Prozess nachahmen. Die heute gängigste Lösung ist ein Prothesenfuß aus einem einzigen, gebogenen Stück Verbundwerkstoff, der oft einem Blatt ähnelt. Diese „Blattfeder“ biegt sich unter dem Gewicht des Körpers, speichert Energie wie eine Spiralfeder und schnellt dann zurück, um dem Träger bei der Bewegung zu helfen. Obwohl diese Geräte leicht und effektiv sind, haben sie eine grundlegende Einschränkung: Da sie sich nur in eine Richtung biegen, konzentriert sich die Belastung in einem schmalen Band. Diese lokalisierte Dehnung kann zu Materialermüdung führen und begrenzt, wie viel Energie das Gerät sicher speichern und zurückgeben kann.

Forscher der University of Central Florida und der Mississippi State University haben in der Natur nach einem besseren Design gesucht. Sie wandten ihre Aufmerksamkeit dem Fangschreckenkrebs zu, einem Meeresprädator, der für seine unglaublich kraftvollen Schläge bekannt ist. Das keulenförmige Anhängsel des Krebses wird durch eine sattelförmige Struktur verstärkt, die gleichzeitig in zwei Richtungen gekrümmt ist. Diese „doppelt gekrümmte“ Geometrie ermöglicht es der Schale, Kräfte über ihre gesamte Oberfläche zu verteilen, anstatt sie in einem Punkt zu konzentrieren. Inspiriert von dieser biologischen Effizienz, setzten sich die Forscher zum Ziel zu untersuchen, ob ein Prothesenfuß, der mit einer ähnlichen doppelt gekrümmten Form gebaut wurde, dem traditionellen einseitig gekrümmten Blattfeder-Design überlegen sein könnte. Ihr Ziel war nicht nur, einen Fuß zu schaffen, der sich biegt, sondern einen, der mehr Energie speichert, länger hält und sich mehr wie ein echtes menschliches Sprunggelenk bewegt.

Um diese Idee zu testen, erstellte das Team zwei virtuelle Modelle von Prothesenfüßen: eines unter Verwendung des Standarddesigns der einseitig gekrümmten Blattfeder und ein anderes unter Verwendung einer neuen, bioinspirierten Sattelform. Das Team passte die Materialien und Dimensionen beider Modelle sorgfältig an, sodass sie sich für einen Benutzer gleichermaßen steif anfühlen würden, um einen fairen Vergleich zu gewährleisten. Mithunter Hilfe leistungsstarker Computersimulationen wandten sie dieselben Kräfte an, die ein Mensch beim Gehen ausübt, insbesondere den Druck, der entsteht, wenn der Fuß nach vorne rollt und das Sprunggelenk nach oben gebeugt wird. Sie maßen daraufhin, wie viel Energie jedes Design speichern konnte und wie die internen Spannungen im gesamten Material verteilt waren.

Die Ergebnisse zeigten einen klaren Vorteil für das doppelt gekrümmte Design. Wenn beide Federn auf denselben Winkel gebogen wurden, speicherte die sattelförmige Feder signifikant mehr Energie als die traditionelle Blattfeder. Speziell im Bewegungsbereich, der beim normalen Gehen auftritt, hielt das Satteldesign bis zu 16 Prozent mehr Dehnungsenergie. Noch beeindruckender war die Effizienz des Materials selbst. Die Forscher fanden heraus, dass die Sattelfeder etwa dreimal mehr Energie pro Volumeneinheit im Vergleich zur Blattfeder speicherte. Dies bedeutet, dass das neue Design bei gleicher Menge an Material viel mehr Arbeit verrichten kann oder umgekehrt die gleiche Leistung mit weniger Material erreichen kann, was die Prothese leichter macht.

Über die reine Energiespeicherung hinaus verdeutlichte die Studie einen entscheidenden Unterschied darin, wie die beiden Formen mit Spannung umgehen. Bei der traditionellen Blattfeder erzeugt die Biegekraft eine scharfe Spannungskonzentration in der Mitte der Krümmung, ein Schwachpunkt, an dem im Laufe der Zeit Risse entstehen können. Im Gegensatz dazu verteilte die Sattelfeder die Spannung viel gleichmäßiger über ihre gesamte Oberfläche. Diese gleichmäßige Verteilung deutet darauf an, dass das neue Design weitaus widerstandsfähiger gegen die wiederholte Abnutzung des täglichen Gehens wäre, was potenziell zu einer längeren Lebensdauer und größeren Zuverlässigkeit für den Nutzer führt. Die doppelte Krümmung ermöglichte es der Struktur zudem, sich beim Biegen natürlich zu versteifen – ein Verhalten, das eng damit vergleichbar ist, wie ein biologisches Sprunggelenk steifer wird, während es sich vom Boden abstößt, was für ein natürlicheres Gehgefühl sorgt.

Die Forscher validierten ihre Computermodelle anhand von Realwelt-Tests der traditionellen Blattfeder und bestätigten damit die Genauigkeit ihrer Simulationen. Obwohl das Design der Sattelfeder noch nicht gebaut und an einem menschlichen Probanden getestet wurde, liefern die Simulationen starke Beweise dafür, dass diese bioinspirierte Geometrie eine überlegene mechanische Lösung bietet. Durch die Nutzung der einzigartigen Eigenschaften einer doppelt gekrümmten Oberfläche könnte dieser neue Ansatz den Weg für die nächste Generation von Prothesenfüßen ebnen, die nicht nur leichter und energieeffizienter, sondern auch langlebiger und näher an der natürlichen Funktion des menschlichen Körpers sind.