Das vom Forschungsteam um Dr. Tran Minh (28 Jahre) entwickelte bionische Bein wiegt nur 3 kg und ermöglicht amputierten Patienten, wie gewohnt bequem zu gehen.
Die Produktion des Utah Bionic Leg begann 2017 bei Dr. Minh und seinen Kollegen im HGN Lab der University of Utah (USA). Das Bein wiegt 3 kg, also nur halb so viel wie andere Beinprothesen auf dem Markt. Die Beinlänge kann je nach Körpergröße des Trägers und der Länge der amputierten Gliedmaße variieren. Das Gerät ist so konzipiert, dass es die Bewegung aller Träger mit einem Gewicht von weniger als 125 kg effektiv unterstützt.
Dr. Lukas Grabert, Mitglied des HGN Lab, sagte, die Gruppe habe den Mechanismus menschlicher Beine untersucht und herausgefunden, dass schnelle und effiziente Bewegungen auf passiven Impuls zurückzuführen seien. Das heißt, wenn Trägheit und Schwerkraft während der Bewegung auf die Gliedmaßen einwirken. Basierend auf diesem Mechanismus entwickelte die Gruppe ein Übertragungssystem im bionischen Bein, das dabei hilft, die Konfiguration des Beins während der Bewegung passiv anzupassen.
Das Produkt besteht aus zwei Hauptteilen: dem Kniegelenk sowie dem Knöchel- und Fußgelenk. Jedes Gelenk ist mit einem Elektromotor, Sensoren, einem Mikroprozessor, einem Batteriesystem, Schaltkreisen und künstlicher Intelligenz (KI) ausgestattet. Diese Teile arbeiten zusammen, um alle wichtigen motorischen Funktionen des Beins auszuführen, wie z. B. Gehen, Aufstehen, Hinsetzen, Bewegen auf Hängen und Treppen.
Die Beine sind mit einem speziellen, intelligenten Antriebssystem aus drei Teilen ausgestattet. Das Kniegelenk optimiert die Leistung und spart Energie. Das Knöchel-/Fußgelenk verfügt über ein Antriebssystem, das auf dem Sehnensystem des menschlichen Fußes basiert. Schließlich ist das Knöchel-/Fußgelenk über ein Federsystem mit dem Zehengelenk verbunden, um dem Patienten natürliche Bewegungen und das Gleichgewicht auf unterschiedlichen Straßenoberflächen und bei unterschiedlichen Wetterbedingungen zu ermöglichen.
Während sich der Benutzer bewegt, übermitteln die Sensoren und Systeme des bionischen Beins Informationen über Aktivitätsstatus und Bewegungsniveau an den KI-Prozessor. Das System erkennt die Absicht des Benutzers und bietet die entsprechende Unterstützung. Das Produkt verfügt außerdem über einen Energiesparmodus für längere Zeiträume, sodass der Benutzer seine Bewegung ohne Kraftverlust aufrechterhalten kann.
Dr. Tran Minh baut im Labor bionische Beine zusammen. Foto: NVCC
Dr. Minh sagte, dass alle Prothesen im Krankenhaus installiert werden müssen, damit Ärzte und Spezialisten sie an die Größe und das Gewicht des Patienten anpassen und Anweisungen für sichere Bewegungen geben können.
Laut dem Forschungsteam sind die derzeit auf dem Markt erhältlichen Beinprothesen als Stoßdämpfer konzipiert und mechanisch passiv. Das heißt, sie verfügen nicht über Motoren und die Bewegungsflexibilität eines gesunden Menschen. Diese Produkte erfordern eine gute körperliche Verfassung der Patienten und erfordern eine lange Eingewöhnungszeit.
Das bionische Bein Utah überwindet die Einschränkungen herkömmlicher Beinprothesen. Die Ingenieure des HGN Lab entwarfen die mechanischen Details und elektrischen Schaltkreise und fertigten sie anschließend entsprechend den Anforderungen. Diese Details wurden zur Montage, Softwareinstallation und Feinabstimmung an das Labor geschickt, um die Funktionalität zu optimieren. „Mit dem bionischen Bein Utah gewöhnt sich der Benutzer dank des Kraftunterstützungssystems schneller daran“, sagte Dr. Minh.
Das Gerät wurde an Amputierten getestet. Foto: Forschungsteam
Das Team hat das Gerät seit 2020 an mehr als 20 Patienten getestet und berichtet, dass die Resonanz der Anwender positiv ist. Viele Patienten können nun wichtige Bewegungen ausführen, die mit herkömmlichen Prothesen nicht möglich sind, wie etwa Treppensteigen oder das Aufsetzen ohne Hilfe.
„Das Produkt des Teams ist das weltweit erste bionische Bein, das einer Person mit amputierten Gliedmaßen ein bequemes Gehen ermöglicht“, sagte Dr. Minh. Die Testergebnisse der Forschung wurden in renommierten wissenschaftlichen Zeitschriften wie Science, Scientific Report und IEEE Transactions veröffentlicht.
Professor Tommaso Lenzi von der University of Utah erklärte, Wissenschaftler forschten bereits seit den 1970er Jahren an der Prothesentechnologie, hätten ihre Ziele jedoch bisher nicht erreicht. Die Mechatronik habe sich weiterentwickelt, da Mikroprozessorbatterien und Elektromotoren immer schneller, kompakter und leichter würden. Die Bio-Beinprothese der Utah-Gruppe nutze technologische Entwicklungen und Erkenntnisse zur passiven Dynamik und werde „Patienten mit amputierten Beinen dank ihrer kompakten Größe helfen, sich unabhängig zu bewegen und ihre Lebensziele frei zu verfolgen“, so Professor Tommaso Lenzi.
Dr. Minh sagte, das Team teste weiterhin die Machbarkeit der Utah-Beinprothese bei längerem Gebrauch zu Hause. Derzeit arbeitet HGN Lab mit Otto Bock, dem weltweit größten Prothesenhersteller mit Sitz in Deutschland, zusammen, um das bionische Utah-Bein in kürzester Zeit in Massenproduktion als medizinisches Produkt für Anwender herzustellen. Der Verkaufspreis soll dem herkömmlicher Beinprothesenmodelle entsprechen.
Dr. Tran Minh wurde in Hanoi geboren und wuchs dort auf. 2013 schloss er sein Abitur an der Hanoi -Amsterdam High School for the Gifted ab. Anschließend studierte er Maschinenbau an der University of Utah in den USA und promovierte dort im Mai 2023. 2015 begann Dr. Minh mit der Entwicklung von Robotern, wobei sein Forschungsschwerpunkt auf flexiblen und leistungsstarken Gliedmaßengelenken lag. Derzeit arbeitet er als Entwicklungsingenieur bei Agility Robotics, einem auf die Herstellung von Robotern spezialisierten Unternehmen in den USA.
vnexpress.net
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