Team 3

Helfende Hände - maßgeschneiderte Hightech-Prothesen

Beschreibung der Institute und Unternehmen zu ihren nominierten Projekten

Unsere Hände sind uns vertraut, kaum ein anderer Körperteil ist in unserem Lebensalltag so präsent. Wenn ein Mensch ohne Hand geboren wird oder diese im Verlauf des Lebens verliert, kann eine Prothese zu einem wichtigen Hilfsmittel werden. Wie können die modernen Handprothesen so weiterentwickelt werden, dass sie dem Vorbild der menschlichen Hand noch näher kommen? Und wie gestaltet sich die Versorgung mit Hightech-Prothesen für Kinder und Jugendliche oder Personen denen nur ein Teil der Hand fehlt?

Stefan Schulz, Adrian Andres und Matthias Baßler haben die Handprothetik neu ins Visier genommen. Unter den Gesichtspunkten der Funktionalität und Ästhetik wurden neue leistungsfähige Prothesen mit einzeln beweglichen Fingern, sogenannte multiartikulierende Prothesen, entwickelt. Neben der Handprothese für Erwachsene in verschiedenen Größen wird bei Vincent Systems auch die erste Kinder- und Jugendhand produziert, bei der einzelne Finger aktiv bewegt werden können. Außerdem können auch komplizierte Teilhände durch die weltweit kleinsten, elektronischen Einzelfingerprothesen individuell angepasst werden.

Wenn heute von einer prothetischen Versorgung der Hand gesprochen wird, ist damit in der Regel der Ersatz einer verlorenen Hand oder eines Unterarms einer erwachsenen Person gemeint. Allein im Bereich der elektrisch gesteuerten Prothesen werden weltweit ca. 10.000 Menschen pro Jahr mit einer Handprothese versorgt, die Anzahl der potentiellen Nutzer liegt jedoch um ein vielfaches höher. Für Kinder und Jugendliche konnte bisher nur auf elektrische Prothesen mit eingeschränkter Funktionalität zurückgegriffen werden. Solche Prothesen verfügen über nur eine Griffart, die Öffnungsweite reicht nicht aus um ein Glas oder eine Flasche zu greifen und sie bieten nur geringe Greifkraft. Einer weiteren Nutzergruppe fehlt nur ein Teil ihrer Hand. Häufig sind Teilhandamputationen eine Folge von Infektionen, die auch beide Hände betreffen können. Die Anzahl der Personen, für die eine funktionelle Teilhandversorgung geeignet wäre, ist etwa fünf- bis zehnmal größer als die Anzahl der Personen, denen eine ganze Hand oder Teile des Unterarms fehlen. Mangels geeigneter elektronisch gesteuerter Teilhandprothesen konnte diese Gruppe jedoch bis heute ausschließlich mit passiven Schmuckprothesen ausgestattet werden.

Seit Jahrhunderten werden Prothesen immer raffinierter, sie sind damit auch stets ein Spiegel der technischen Möglichkeiten einer jeden Epoche. Mithilfe des heutigen technischen Know-hows sollen Prothesen klein und leicht sowie der menschlichen Hand optisch möglichst ähnlich sein. Außerdem sollen sie einfach und intuitiv zu steuern sein. Gleichzeitig wird jedoch auch erwartet, dass die Prothese robust ist und so schnell, kraftvoll und vielseitig zugreifen kann wie die menschliche Hand. Dabei ergibt sich das Problem, dass viele dieser Eigenschaften im Widerspruch zueinander stehen, so als solle ein Rennwagen mit einem leisen und sparsamen Motor Höchstleistungen erbringen.

Um diese widersprüchlichen Anforderungen zu erfüllen, wurde die menschliche Hand als Vorbild genommen um neue Lösungen zu finden. Es wurden neuste Entwicklungsmethoden und Fertigungstechnologien genutzt und vollständig neue Konzepte zur Steuerung erarbeitet.

Das bionische Design spielte bei der Entwicklung der neuen Handprothesen eine wichtige Rolle, insbesondere hinsichtlich der anatomischen Formgebung, der Haptik beim Greifen sowie der Weltneuheit eines nachempfundenen Tastsinns.

Da es durch die kompakte Bauweise moderner Handprothesen wenig Spielraum für eine ausgeprägte Formsprache gibt, wurde dieser Bereich lange vernachlässigt. Bei den neuen Prothesen wurde nach der technischen Funktionalität erstmals auch der Formgebung eine große Bedeutung zugeschrieben. Die Form der einzelnen Finger und der gesamten Hand sind dadurch sehr an die Anatomie der menschlichen Hand angelehnt.

Die konstruktive Umsetzung nachgiebiger Strukturen, wie sie in der Natur nahezu überall vorkommen, konnte in den neuen Handprothesen eine Verbesserung der Lebensdauer und der adaptiven Eigenschaften beim Greifen bewirken. Zum einen ermöglichen Bogenfedern zwischen den Fingergelenken eine adaptive Grundspannung beim Greifen und Halten, in Anlehnung an die Muskeln und Bänder der menschlichen Hand. Zum anderen werden alle tragenden metallischen Komponenten der Prothesen mit einer weichen Kunststoffhülle verkleidet. Dadurch werden die Prothesen mit einer natürlichen Haptik ähnlich der der menschlichen Haut ausgestattet, was das sichere Zugreifen erleichtert.

Der bei der menschlichen Hand so selbstverständliche Tastsinn und die dadurch ermöglichte Rückmeldung über die Kraft beim Zugreifen wurde bei bisherigen kommerziellen Prothesen kaum beachtet, obwohl eine Rückmeldung über die Greifkraft ein sichereres und auch feinfühligeres Zugreifen ermöglichen kann. Daher wurde für das neue Prothesensystem ein Vibrationsfeedback entwickelt, das dem Prothesenträger eine Information zur aktuellen Griffstärke vermittelt. Dies ermöglicht es dem Nutzer auch ohne direkten Sichtkontakt sicher zu zugreifen und Studien haben gezeigt, dass dadurch auch Phantomschmerzen gelindert werden können.

Ein sehr wesentliches Funktionsmerkmal ist das Gewicht der Prothesen. Eine künstliche Hand erscheint dabei immer etwas schwerer als die natürliche Hand, selbst bei gleichem Gewicht. Grund hierfür ist die veränderte Biomechanik. Die natürliche Hand geht fließend in den Körper über, sie wird durch Sehnen, Bänder, die Muskulatur sowie das Skelett getragen. Die Handprothese sitzt jedoch am Ende eines starren oder wenig nachgiebigen Prothesenschaftes in den der Armstumpf fest eingebettet ist. Dadurch entsteht eine unnatürliche Hebelwirkung auf den Armstumpf, wodurch das Gewicht der Prothese als schwerer empfunden wird. Der konsequente Einsatz von hochfesten Leichtbaumaterialien in Verbindung mit softwaregestützter Gestaltoptimierung, führte zu einer erheblichen Gewichtsreduzierung ohne die hohe Stabilität zu verlieren.

Auch im Bereich der Steuerung wurden neue Wege gegangen. Multiartikulierende Prothesen werden meist mit Sensoren gesteuert, die die Muskelanspannung erfassen. Da hierfür in der Regel nur Signale von zwei Unterarmmuskeln verfügbar sind, ist die Auswahl unterschiedlicher Griffarten oft kompliziert. Viele Prothesen benötigen daher neben den Muskelsignalen noch zusätzliche Steuerungshilfen, welche jedoch entscheidende Nachteile mit sich bringen. Es wird eine Bewegung des gesamten Unterarmes mit der Prothese oder die Assistenz der gesunden Hand benötigt, beispielsweise wenn Knöpfe auf der Prothese genutzt werden um andere Griffe zu erreichen. Ohne die Zuhilfenahme solcher zusätzlichen Steuersignale kann nur ein sehr geringer Teil der Funktionalität moderner Handprothesen wirklich genutzt werden. Für die Vincent-Prothesen wurde deshalb ein neuartiges, patentiertes Steuerungskonzept entwickelt. Erstmals kann ein Prothesenträger alle Griffe direkt und intuitiv allein mithilfe verschiedener Abfolgen der Muskelsignale nutzen. Mithilfe eines speziellen Griffauswahlschemas, das die verschiedenen Griffe untereinander in eine spezifische Ordnung bringt, können so zehn Griffmuster und viele weitere Griffkombinationen genutzt werden.

Die Handprothese VINCENTevolution2 vereint durch sechs Motoren, das neue Steuerungskonzept und den künstlichen Tastsinn einen bisher nicht erreichten Funktionsumfang mit den kleinsten Abmessungen und dem geringsten Gewicht unter den multiartikulierenden Prothesen. Die neuen Prothesen sind etwa 20-30% leichter als vergleichbare bionische Hände. Für die Gestaltung wurde die VINCENTevolution2 mit dem German Design Award und dem Designpreis der Bundesrepublik Deutschland ausgezeichnet.

Die neu entwickelte VINCENTyoung verfügt über vier Motoren, welche die einzelnen Finger antreiben, und ist somit die erste multiartikulierende Kinderhandprothese. Eine besondere Herausforderung stellte die Miniaturisierung der Antriebe dar, welche durch eigens entwickelten Hochleistungsgetriebe gemeistert wurde. Im Vergleich zu konventionellen Kinder- und Jugendhänden konnte die Griffweite von 50mm auf 80mm erhöht, die Greifkraft mehr als verdoppelt und die Griffgeschwindigkeit sogar vervierfacht werden. Mit diesen Eigenschaften ist die VINCENTyoung die derzeit leichteste und kleinste bionische Hand.

Die Versorgung einer Teilhand ist eine anspruchsvolle Problematik, da die Länge und Anzahl der fehlenden Finger sowie das Vorhandensein eines Daumens variiert und jeder Teilhandstumpf einzigartig in Form und Größe ist. Für die Versorgung hat Vincent System die derzeit kleinsten und leichtesten Einzelfingerprothesen entwickelt. Zusammen mit Daumen, Rahmenelementen in verschiedenen Größen und unterschiedlichen Sensoren bietet das Partialhandsystem VINCENTpartial einen modularen Baukasten, mit dem jede Teilhand individuell versorgt werden kann.

Die 2009 als Start-up gegründete Vincent Systems GmbH hat sich auf die Entwicklung und Herstellung bionischer Finger, Daumen und Hände spezialisiert. Das Unternehmen übernimmt mit seinen technischen Neuerungen in diesem hoch spezialisierten Bereich seit Jahren eine technologische Führungsrolle. So brachte Vincent Systems 2009 die erste multiartikulierende Handprothese mit sechs Motoren und vollständig elektrischem Daumen zur Marktreife, produziert die weltweit leichtesten Handprothesen bei denen einzelne Finger getrennt bewegt werden können, entwickelte den ersten serienreifen Tastsinn für eine Handprothese und bietet das erste assistenzfreie Steuerungskonzept an. Die Technologie ist durch etliche Patente abgesichert und die Produkte sind bereits am Markt eingeführt.

Der Bereich Forschung und Entwicklung steht bei Vincent Systems klar im Vordergrund. Eine hohe Innovationsdynamik aufgrund der schlanken Unternehmensstruktur erlaubt es Neu- und Weiterentwicklungen schnell zur Marktreife zu führen. Unser Ziel ist es, für jeden Nutzer die passende Prothese anbieten zu können. Zudem sind viele neue Einsatzgebiete der in diesem Zusammenhang entwickelten Technologien, wie miniaturisierte Antriebe, Sensoren oder flexible Akkusysteme, über die Prothetik hinaus denkbar, beispielsweise für den Aufbau motorisierter Orthesen.


Das Vorschlagsrecht zum Deutschen Zukunftspreis obliegt den führenden deutschen Einrichtungen aus Wissenschaft und Wirtschaft sowie Stiftungen.
Das Projekt „Mittelpunkt Mensch - Roboterassistenten für eine leichtere Zukunft“ wurde von Deutscher Industrie- und Handelskammertag e.V. (DIHK) eingereicht.

Bundespräsident Frank-Walter Steinmeier verleiht am 29. November 2017 den 21. Deutschen Zukunftspreis 2017 an eines der drei nominierten Teams.