Ongeveer 80% van de sportblessures zijn zogenaamde musculoskeletale blessures, bijvoorbeeld verstuikingen, overbelasting of overstrekking. Dergelijke blessures kunnen vooral optreden bij sporten met een hoge belasting van de polsen, zoals handbal, basketbal of gewichtheffen. Conventionele ondersteuningen bieden ofwel onvoldoende stabiliteit of beperken de beweeglijkheid van het gewricht te veel. Een onderzoeksteam van het Zoölogisch Instituut van de Kiel University (CAU) heeft nu een flexibele gewrichtsspalk ontwikkeld die maximale mobiliteit en optimale stabiliteit combineert. De bron van hun inspiratie waren de ultradunne vleugels van libellen, die tijdens de vlucht aanzienlijke externe belastingen moeten weerstaan. Hun studie werd gisteren gepubliceerd in het tijdschrift Technische Natuurkunde A . Nu willen de wetenschappers hun ontwerp in de praktijk brengen, er is al een patent aangevraagd.

Geïnspireerd door de unieke eigenschappen van de vleugels van libellen

Werkelijk, de wetenschappers onderzoeken de fascinerende eigenschappen van libellenvleugels:om verschillende windstromen en botsingen met vaste objecten te weerstaan, ze moeten zowel stabiel als veerkrachtig zijn. "In engineering, stabiliteit en mobiliteit zijn vaak twee elkaar uitsluitende kenmerken, overwegende dat ze in de natuur veel voorkomen, " zegt Ali Khaheshi, de eerste auteur van de studie. De ingenieur en materiaalwetenschapper staat op het punt zijn Ph.D. met professor Stanislav Gorb en Dr. Hamed Rajabi onderzoeksgroep "Functionele morfologie en biomechanica." Samen hebben ze onderzocht hoe de libel beide eigenschappen weet te combineren.

"De resultaten uit de biologie tonen ons spannende ideeën voor technische oplossingen:in het geval van libellen, de sleutel is de gewrichtsachtige verbindingen in hun vleugels, " legt Gorb uit. Ze zijn verweven met stukjes van het elastische eiwit resiline, die in eerste instantie een grote bewegingsvrijheid bieden. als een bepaalde verlengingshoek wordt overschreden, stijve cuticulaire spikes op het vleugelblok een verdere beweging door in elkaar grijpende. Ze ondersteunen nu het gewricht en geven vleugels de vereiste stabiliteit om hoge belastingen te weerstaan.

"Toen een teamcollega ons vertelde over de pijn in zijn pols tijdens het sporten, we erkenden dat ons op vleugels geïnspireerde concept een oplossing kan bieden ", meldt Rajabi. Om het principe van de natuur over te brengen naar een ondersteunende en toch mobiele polsspalk, ze ontwikkelden een soort scharnier van polymelkzuur (PLA). Dankzij het speciale ontwerp, de constructie van het lichte en flexibele plastic weegt slechts 23 gram. Dit betekent dat het kan worden vastgebonden op standaard elastische textielwikkels en de natuurlijke beweging van de hand niet beperkt. Alleen vanuit een hoek van 70 graden - zo ver zijn de polsen gebogen voor gewichtheffen - blokkeert een spike de beweging en stabiliseert het gewricht onder de externe belasting, vergelijkbaar met de stekels in libellenvleugels.

Ook toepassingen in de geneeskunde en robotica zijn mogelijk

In een speciale testopstelling het onderzoeksteam onderzocht hoe hun gewrichtsspalk de buiging en externe kracht weerstond. "Uit de tests bleek dat onze spalk een draagvermogen heeft van ongeveer 320 Newton, dat wil zeggen ongeveer 32 kilogram, wat meer is dan 1300 keer het eigen gewicht van de spalk. Als de structuur is gemaakt van sterkere materialen dan PLA, het kan belastingen tot 450 kg weerstaan, wat veel hoger zou zijn dan de kracht die wordt ervaren door het wereldrecord gewichtheffen, ' zegt Khaheshi.

De gewrichtsspalk kan eenvoudig en kosteneffectief worden geproduceerd met behulp van 3D-printen en kan worden aangepast voor hand, elleboog- of kniegewrichten. Hierdoor zijn ook medische toepassingen mogelijk na blessures, bijvoorbeeld wanneer gewrichten slechts beperkt mogen buigen en strekken. Een ander voordeel van het ontwerp is dat het gemakkelijk te besturen is. "In tegenstelling tot een niet-lineaire mechanische veer, die geleidelijk stijver wordt wanneer ze worden samengedrukt, we kunnen zonder vertraging schakelen tussen de mobiele modus en de ondersteuningsmodus, ", zegt Rajabi. Dit maakt het ook een geschikte kandidaat voor robottoepassingen.

Op zoek naar industriële partners

Nu zoeken de wetenschappers industriële partners om hun joint spalk verder te ontwikkelen en op de markt te brengen, bijvoorbeeld als geïntegreerd onderdeel van textielverbanden. Ze hebben al een patent op hun concept. “Biologische systemen zijn veel complexer dan men op het eerste gezicht vaak denkt. ze hebben unieke eigenschappen waaruit we compleet nieuwe benaderingen kunnen leren voor andere vakgebieden, " zegt Khaheshi, een samenvatting van zijn interesse in het onderzoeksgebied van de biomechanica.