PSYONIC bringt das Prothesendesign ins 21. Jahrhundert
Das Robotik-Ingenieurunternehmen nutzt das SOLIDWORKS for Startups Programm, um eine langlebige, stoßfeste bionische Hand für den täglichen Gebrauch zu entwickeln.
Herausforderung
Einen Prototyp einer bionischen Hand in ein kommerziell nutzbares Produkt überführen, das wiederholten mechanischen Belastungen unter realen Bedingungen standhält, menschlich anmutende Bewegungen ermöglicht und eine modulare Architektur bietet, die sich für Anwender leicht warten und reparieren lässt
Lösung
Über das SOLIDWORKS Startup‑Programm setzte das Team SOLIDWORKS und SOLIDWORKS Simulation für iterative 3D‑Modellierung, Gelenkbewegungssimulationen, Rendering und digitales Prototyping ein, um die Haltbarkeit zu optimieren, die Kinematik zu validieren und die Herstellbarkeit zu beurteilen, noch bevor physische Prototypen entstanden
Ergebnisse
- Fingerstrukturen, die für etwa 350.000 Beugezyklen ausgelegt sind
- Ein modulares Fingerdesign ermöglicht den Austausch in der Klinik in rund 10 Minuten
- Die mechanischen Gelenke sind für eine geeignete Kinematik und einen maximalen Bewegungsumfang ausgelegt
- Tausende von Konstruktionsiterationen wurden durchgeführt, um Haltbarkeit und Leistung zu verbessern
Dr. Aadeel Akhtar, Gründer und CEO von PSYONIC, war sieben Jahre alt, als er mit seinen Eltern Pakistan besuchte und zum ersten Mal eine Person mit Amputation traf. Sie war in seinem Alter, hatte aber keinen Zugang zu der Gesundheitsversorgung, die ihm zur Verfügung stand.
„Das war das erste Mal, dass ich jemanden mit einem Gliedmaßendefekt kennenlernte. Sie war in meinem Alter und lebte in Armut. Ihr rechtes Bein fehlte und sie benutzte einen abgebrochenen Ast als Krücke.“ Diese Erfahrung blieb Akhtar im Gedächtnis. Sie inspirierte ihn dazu, in die Medizin zu gehen und schließlich 2015 in San Diego, Kalifornien, PSYONIC zu gründen. Die Mission: Zur Entwicklung fortschrittlicher Bioniktechnologien beitragen, die für jeden erschwinglich sind
Prothetik gibt es bereits seit Tausenden von Jahren. Einige der heute verwendeten Prothesen wurden tatsächlich noch zur Zeit des amerikanischen Bürgerkriegs entwickelt. Eine der zentralen Schwierigkeiten beim Prothesendesign besteht darin, Funktionalität, Haltbarkeit und Zugänglichkeit ins Gleichgewicht zu bringen. Forschungsprototypen zeigen oft, was möglich ist, doch diese Prototypen in zuverlässige, herstellbare Produkte zu überführen, stellt eine ganz andere Herausforderung dar. Der forschungsorientierte Hersteller von Prothesen stand vor genau diesem Übergang.
Das Vorzeigeprodukt von PSYONIC, die „Ability Hand“, musste über das Stadium eines Laborkonzepts hinauswachsen. Sie musste Stößen, wiederholten Bewegungen und den Unwägbarkeiten des Alltags standhalten und gleichzeitig präzise Bewegungsabläufe sowie eine optimierte Wartungsfreundlichkeit bieten.
Konstruktion für Langlebigkeit und Bewegung
Der erste Prototyp der Handprothese von PSYONIC war zwar funktionsfähig, aber noch lange nicht serienreif. „Man muss sich vorstellen, dass der Prototyp der Ability Hand zu dieser Zeit dreimal so groß wie eine normale menschliche Hand war“, betont Akhtar. Er erläutert weiter, dass der erste Prototyp unübersichtlich und schwer zu handhaben war, da Kabel in alle Richtungen verliefen und er mit Steckplatinen (d. h. einer wiederverwendbaren, lötfreien Prototyping-Plattform) und externen Stromversorgungen verbunden und letztlich an eine Steckdose angeschlossen war.
Der Übergang von diesem frühen System zu einem kommerziellen Produkt erforderte eine konsequente mechanische Weiterentwicklung. Das Team musste die strukturelle Haltbarkeit bei wiederholter Verwendung sicherstellen. „Wir mussten dafür sorgen, dass die Fingerknochen 350.000 Beuge- und Streckzyklen überstehen“, erklärt Akhtar.
Zugehörige Ressourcen
Wir haben jede einzelne Komponente der Hand sowie alle zugehörigen Komponenten in SOLIDWORKS entworfen. Wir haben Tausende Iterationen durchlaufen.
Die Stoßfestigkeit war ebenso wichtig. Akhtar erklärt: „Die Finger sind biegsam, sodass ich die Ability Hand nehmen und mit ihr gegen etwas schlagen kann. Sie übersteht den Aufprall.“ Er fügt hinzu: „Ich habe sie vom Dach meines Hauses aus etwa 9 Metern Höhe fallen lassen. Ich bin darauf getreten. Ich habe sie 10 Minuten lang in einen Wäschetrockner gesteckt und sie hat es überstanden!“
Die technische Anforderung war klar: Die Ability Hand musste sowohl wiederkehrenden inneren Belastungen als auch unvorhersehbaren äußeren Kräften standhalten.
Jede Komponente in SOLIDWORKS konstruiert
Um diesen Anforderungen zu erfüllen, hat PSYONIC jede einzelne Komponente der „Ability Hand“ sowie deren Peripheriekomponenten in SOLIDWORKS® entworfen. Akhtar erklärt: „Wir haben jede einzelne Komponente der Hand sowie alle zugehörigen Komponenten in SOLIDWORKS entworfen. Wir haben Tausende von Iterationen durchlaufen.“ Diese Iterationen umfassten das Testen zahlreicher mechanischer Konzepte. Das Team entwickelte Hunderte von Konstruktionskonzepten und produzierte zahlreiche 3D-gedruckte Prototypen, von denen viele die ersten Tests nicht bestanden.
Die mechanische Bewegung wurde mit den Werkzeugen von SOLIDWORKS Simulation bewertet. Akhtar merkt an: „Wir führen viele Simulationen der mechanischen Gelenke durch. Wir möchten sicherstellen, dass die Kinematik korrekt ist und der Bewegungsumfang maximiert wird, damit wir unseren Anwendern ein Höchstmaß an Funktionalität bieten können.“
Der frühe Zugang zu professionellen Konstruktionswerkzeugen spielte eine entscheidende Rolle bei der Gründung von PSYONIC. Akhtar betont, dass das SOLIDWORKS for Startups Programm entscheidend dazu beigetragen hat, dass das Team als eigenfinanziertes Startup erfolgreich sein konnte.
Vom Prototyp zum wartungsfreundlichen Produkt
Die technische Haltbarkeit ist nur ein Teil der Kommerzialisierung. Auch die klinische Wartungsfreundlichkeit ist wichtig. Laut PSYONIC‑Marketingmanager Dale Demasi gilt: „Wenn an einem Finger [der Ability Hand] etwas passiert, kann er in 10 Minuten ersetzt werden, indem man lediglich drei Schrauben entfernt.“
Der modulare Designansatz der Ability Hand reduziert Ausfallzeiten und vereinfacht die Wartung, ohne dass das gesamte Gerät ersetzt werden muss. Demasi erklärt den praktischen Nutzen weiter: „Sie müssen nicht Wochen oder Monate warten, bis Ihre Handprothese repariert ist. Sie können sie in der Klinik reparieren lassen, während Sie warten.“
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