Die Schritt-Macher: Prothesenfüße und DC-Motoren

Die Empower-Prothese von Ottobock gibt ihrem Träger die verlorene Bewegungsfreiheit zurück –ein bürstenloser Motor hilft bei jedem Schritt, die Energie eines Wadenmuskels freizusetzen.

Kraft, die wir für dass Gehen benötigen, kommt von der Wadenmuskulatur durch Kontraktion. In den Muskelzellen wird chemische in mechanische Energie umgewandelt. Ohne Waden lässt sich also schlecht gehen. Daher kommt es, dass Menschen mit amputierten Unterschenkeln schnell ermüden, wenn sie mit Fußprothesen unterwegs sind. Ein normaler Tagesablauf ist ihnen somit unmöglich.

Durch einen Bergsteigerunfall verlor der US-amerikanische Extremkletterer Hugh Miller Herr seine beiden Beine knapp unterhalb der Knie. Der damals junge Student ließ sich durch die Amputation aber keinesfalls entmutigen und seine Universitätslaufbahn stand daher in Wechselwirkung mit der langwierigen Rehabilitation. Jahrelang hat er an der perfekten Prothese entwickelt: „Jeder sollte das Recht haben, zu gehen. Wir müssen unsere Einschränkungen nicht akzeptieren“, so Professor Herr. Schließlich gelang ihn etwas, was die Ärzte für unmöglich hielten: Er baute sich seine eigenen Prothesen, die ihm erlaubten, auf kleinen Tritten zu stehen.

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Hugh Herr ist heute Professor am Massachusetts Institut of Technologie (MIT in Boston). Als er seine Hightech-Prothese schliesslich der Öffentlichkeit präsentierte, war die Verblüffung groß. Sein Gangbild war natürlich, kaum von anderen Menschen zu unterscheiden. Er vollführte sogar einen kurzen Sprint an Ort und Stelle. Etwas, das bislang als nicht möglich galt.

Ein Elektromotor ersetzt die Wade

Bei der Entwicklung der Fußprothese haben sich Hugh Herr und sein Team an der Natur orientiert. Entsprechend spricht er bei seiner Erfindung von einer Bionik-Prothese – einem perfekten Zusammenspiel von Biologie und Design. Was schön klingt, sieht in der Praxis dann so aus: Ein kräftiger Motor treibt eine Feder an, welche ihre Energie direkt auf den Fuß überträgt. So wird die fehlende Kraft der Wade künstlich zurückgegeben, Schritt für Schritt. Mit Hilfe von mehreren Sensoren weiß die Prothese immer, in welcher Position eines Bewegungsablaufes sie sich gerade befindet und führt entsprechende Aktionen aus. Und nicht nur das: Je stärker die Prothese belastet wird, desto mehr Energie liefert sie – wie ein natürlicher Fuß. Somit sind selbst kleine Sprints möglich, aber auch das Gehen auf unebenem Grund und auf Rampen.

Inzwischen ist die dritte Generation des Prothesenfußes, der Empower, auf dem Markt erhältlich. Mehr als 250 Personen sind damit unterwegs. Einer von ihnen ist der 32-jährige Dylan. Er sagt: „Der Empower lässt meine Schmerzen verschwinden und gibt mir das Gefühl, meine Beine zurückzuhaben.“ Auch Larry ist begeistert: „Die Prothese gibt mir Energie, statt sie mir zu nehmen. So kann ich den ganzen Tag lang aktiv bleiben.“

Rechnet man die Vorgängermodelle des Empowers hinzu, wurden bereits über 1500 Anwender mit Hughs Erfindung ausgestattet. Sein kleines Unternehmen gehört inzwischen zur Ottobock-Gruppe, dem weltweit führenden Anbieter von Prothesen aller Art. Hugh Herr ist als Leiter der biomechatronischen Forschungsgruppe am MIT nach wie vor eng mit dem Ottobock-Entwickler-Team in Boston verbunden und plant, die Prothese weiter zu verbessern. Wiebke Gellersen, Marketingspezialistin bei Ottobock, sagt dazu: „Wir wollen die Einbauhöhe und Fußgrösse des Empowers reduzieren, um die Prothese in Zukunft einer breiteren Anwendergruppe anbieten zu können.“

Bereits der Empower ist im Vergleich zu seinem Vorgänger auf ein neues Level gehoben worden. Innerhalb von 16 Monaten hat ein Entwickler-Team den Energieimpuls verfeinert, damit sich das Gehen noch natürlicher anfühlt. Auch das Design wurde verbessert, der Akku ist neu in den Knöchel integriert. Gleichzeitig konnte die Akkulaufzeit verdoppelt werden.

Die aktive Energiezufuhr geschieht über eine Carbon-Feder, die wiederum von einem kräftigen, bürstenlosen DC-Motor von maxon motor angetrieben wird. Zum Einsatz kommt der Motor EC-4pole30 mit 200 W Spitzenleistung bei 30 mm Durchmesser; ein Power-Paket, welches für höchste Leistung pro Volumen- und Gewichtseinheit bekannt ist. Gerade bei Prothesen ist das optimale Verhältnis von Größe, Gewicht und Leistung entscheidend. Die Ingenieure bei maxon motor kennen diese Herausforderung von verschiedenen Anwendungen in der Prothetik und der robotischen Rehabilitation und verstehen das Technologiefeld der Prothetik bestens.

Der Unternehmer Otto Bock hilft Kriegsversehrten

Die heutige Otto Bock HealthCare wurde 1919 als Orthopädische Industrie GmbH von dem Unternehmer Otto Bock in Berlin gegründet, um die vielen Tausend Kriegsversehrten des Ersten Weltkriegs mit Prothesen und orthopädischen Produkten zu versorgen. 1920 wurde die Produktion nach Königsee in Thüringen verlegt, wo zeitweise bis zu 600 Menschen arbeiteten. Da der hohe Bedarf durch handwerkliche Methoden kaum zu decken war, begann Otto Bock die Prothesenteile in Serie herzustellen und legte damit den Grundstein für die orthopädische Industrie.

Die heutige Otto Bock HealthCare gliedert sich in die Teilbereiche Prothetik, Orthetik und Neurostimulation. Von den über 50 Niederlassungen befinden sich in Deutschland das Stammhaus in Duderstadt sowie die Standorte Göttingen und Königsee-Rottenbach.

Über die Empower-Prothese schreibt Ottobock auf seiner Firmenseite: „Unsere mechatronischen Prothesenfüße können naturnahe Bewegungsabläufe ermöglichen und zu einer verbesserten Balance, Stabilität und Kontrolle beitragen. Egal ob barfuß oder 5 cm hohe Absätze, ob Businessschuhe oder Wanderstiefel, ob Damen- oder Herrenschuhe – mit den Prothesenfüßen Meridium und Triton smart ankle haben Sie mehr Freiheit in der Schuhauswahl. Die Anpassungen an die verschiedenen Absatzhöhen lassen sich eigenhändig per Knopfdruck oder App bedienen. So können Sie im Handumdrehen vom bequemen Alltagschuh zum feinen Absatzschuh wechseln. Unsere Prothesenfüße passen sich Situationen ständig neu an: Sie bieten Anpassung an wechselnde Gehgeschwindigkeiten, entspannteres Gehen bergauf und mehr Stabilität bergab. Auf Treppen geben die elektronischen Prothesen zusätzliche Unterstützung. Darüber hinaus eignen sie sich hervorragend für die Fortbewegung auf unebenen Untergründen.“

* Stefan Roschi ist Technik-Redakteur bei der maxon motor ag/Schweiz.

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