TU Delft setzt HBM-Kraftsensor für wissenschaftliche Untersuchungen zu Reibung ein

Forschungsergebnisse können zu neuer Technik zur formfesten Führung flexibler Endoskope führen

Die Fachgruppe Biomechanical Engineering der TU Delft hat einen Kraftsensor von HBM zur Untersuchung von Reibung zwischen Stahlkabeln und verschiedenen Gummisorten eingesetzt. Auf den ersten Blick mag dieses Forschungsthema vielleicht unbedeutend erscheinen. Die Ergebnisse können allerdings zu einer neuen Technik zur formfesten Führung flexibler Endoskope führen (das sind lange, flexible Schläuche mit einer Kamera am einen Ende), mit denen in der Medizin deutliche Einsparungen erzielt werden können. Die Technologie ist unter Umständen schon kurzfristig bei Militär und Polizei einsetzbar, beispielsweise zur Suche nach Sprengstoffen oder zur Erkundung abgeschlossener Räume.

Kraftaufnehmer von HBM

Die Untersuchung der Reibung zwischen Stahlkabeln und Gummi war Bestandteil der Forschungsarbeiten im Rahmen der Promotion von Arjo Loeve, der inzwischen als Post-Doktorand arbeitet. Seine Forschung richtete sich auf die Entwicklung einer neuen Technologie zur formfesten Führung von Endoskopen, die bei medizinischen Untersuchungen im menschlichen Körper eingesetzt werden. Bei der Einführung flexibler Endoskope entstehen mitunter unbeabsichtigte Krümmungen im Endoskopschlauch, die den Darm des Patienten unter Umständen schmerzhaft dehnen. Es kann sogar zu gravierenden Komplikationen kommen, wie etwa einem Darmbruch bei einer Darmspiegelung. Einige Hersteller haben zwar schon Techniken zur formfesten Führung auf den Markt gebracht; diese funktionieren aber noch nicht optimal und sind sehr teuer. Die meisten Endoskope nutzen die formfeste Führung dagegen noch nicht und bieten lediglich begrenzte Möglichkeiten zur Fixierung der Form des Schlauches.

Nahaufnahme des Klemmmoduls. Im Vordergrund Blöcke, die mit Gummi bzw. Stahlseilen verkleidet werden.

Schneller und kostengünstiger - neue Technologie für die Herausforderungen des Gesundheitswesens

Die neue Technologie, zu der Loeve geforscht hat, besteht aus einem aufblasbaren Gummischlauch, der von einem Kranz aus Stahldraht auf der Innenseite einer Edelstahlfeder umschlossen wird. Wenn der Gummischlauch mit einer Flüssigkeit unter Druck gesetzt wird, presst er den Stahldraht gegen die Innenseite der Feder, und die Endoskopführung versteift sich. So kommt der Arzt bei seiner Arbeit schneller voran, der Patient empfindet die Untersuchung als weniger störend, und das Risiko von Komplikationen reduziert sich.

Häufig müssen endoskopische Untersuchungen wegen Schmerzen oder Komplikationen abgebrochen werden, sodass nicht alle Auffälligkeiten im Patienten entdeckt werden. Dann sind teilweise teure und zeitraubende Zusatzuntersuchungen mit CT-Scannern erforderlich, um die richtige Diagnose zu stellen. Mit der neuen Technik soll es möglich sein, solche Untersuchungen öfter ohne Probleme zum Abschluss zu bringen.

Im Gegensatz zu anderen möglichen Techniken zur formfesten Führung und Fixierung wird bei der in Delft untersuchten Technik keine teure Steuereinheit benötigt, wodurch Endoskopiegeräte bezahlbar bleiben. Durch die neue Technologie wird die Bedienung überdies wesentlich vereinfacht, sodass endoskopische Untersuchungen nicht unbedingt von teuren Spezialisten durchgeführt werden müssen.

Diese neue Technologie ist also potenziell die perfekte Antwort auf die Herausforderungen des Gesundheitswesens – effiziente Behandlungsmethoden, die den Aufenthalt im Krankenhaus verkürzen und außerdem zu deutlichen Einsparungen führen. Die neue Technologie kann die Einführung minimalinvasiver Techniken, endoskopischer Operationstechniken sowie von schnittlosen Operationen nachhaltig befördern.

Erste umfassende Forschung zur Reibung zwischen Stahlkabeln und Gummi

Die Forschungsarbeit, die von der Fachgruppe Mechanical Engineering durchgeführt wurde, war ungewöhnlich. Innerhalb der Reibungslehre – der Tribologie – gibt es eine Menge Grundlagenforschung, die sich mit der Reibung zwischen verschiedenen Werkstoffen beschäftigt. „Allerdings hat es noch keine umfassendere Forschung zur Reibung zwischen Stahlkabeln und Gummi gegeben“, erläutert Loeve. „Gummi ist weich und neigt dazu, sich auf molekularer Ebene an anderen Materialien anzuhaften, wodurch viel Reibung entsteht.

Die meisten vergleichbaren Untersuchungen zielen allerdings auf eine Verringerung der Reibung ab, die beispielsweise bei Förderbändern erzielt werden soll oder zur Vermeidung von Verschleiß. Beim Einsatz in Endoskopen geht es ja gerade um eine Vergrößerung der Reibung, um die Steifigkeit der Führung möglichst zu verstärken. Auch sind die meisten Gummiarten in der Medizin nicht besonders beliebt, weil sie nicht biokompatibel sind, mitunter giftige und krebserregende Stoffe abgeben und gegenüber Sterilisation nur gering beständig sind. Bei Anwendung der neuen Technologie für Endoskope kommt der Gummi nicht mit dem menschlichen Körper in Kontakt, weil er sich auf der Innenseite des Schlauchs befindet.“

Nahaufnahme des Klemmmoduls. Zwei gummiverkleidete Blöcke, zwischen denen ein mit Stahldraht umwickelter Block hindurchgezogen wurde.

Welche Material-Kombination erzeugt am meisten Reibung?

Für die Untersuchung wurden drei Arten von Gummi und fünf verschiedene Arten geflochtener Stahlkabel in fünfzehn verschiedenen Kombinationen untersucht. Damit sollte ermittelt werden, welche Art von Gummi und welcher Stahlkabeltyp die meiste Reibung erzeugen. Dabei handelte es sich um geflochtene Standard-Stahlkabel mit einer Stärke von 0,18 bis 0,45 mm, die für normale Alltagszwecke, wie etwa zum Aufhängen von Fotorahmen oder als Bremsbowdenzug, Verwendung finden. 

Für den Test wurde in Eigenregie eine Prüfanordnung entwickelt. Die bestand aus einem Klemmmodul mit zwei gummiverkleideten Blöcken, zwischen denen ein mit Stahldraht umwickelter Block hindurchgezogen wurde. Dabei wurden sowohl die Klemmkraft des Klemmmoduls als auch die Zugkraft des Blocks mit dem Stahldraht gemessen. Für die Prüfanordnung war man auf der Suche nach einem geeigneten Kraftsensor, um die auf den Block mit Stahlkabel ausgeübte Kraft zu ermitteln. Auf diese Weise wurde die Reibung schließlich ermittelt. Der Kraftsensor musste bestimmte Anforderungen bezüglich Messbereich und Genauigkeit erfüllen.

Die technischen Angaben wurden dem sogenannten „Meetshop“ der Fakultät 3mE übermittelt, bei dem sich Studierende und Doktoranden Unterstützung für Messvorhaben holen können. Da der Meetshop häufig mit HBM zu tun hat und dort beispielsweise auch ein MGCplus-Datenerfassungssystem von HBM im Einsatz ist, war es naheliegend, dass die Entscheidung zugunsten eines Kraftaufnehmers von HBM fiel. Der Kraftaufnehmer musste mit Gewichten bis 180 kg zurechtkommen. Der Kraftsensor wurde übrigens nicht nur für die Tests mit dem Klemmmodul verwendet, sondern auch zur Kalibrierung der Zugprüfmaschine.

„Die Untersuchung dauerte einschließlich Entwicklung von Prüfanordnung sowie Klemmmodulen anderthalb Jahre und hat eine Menge sehr nützlicher Daten geliefert“, erläutert Arjo Loeve. „Das Grundprinzip der Technologie hat nach Veröffentlichung der Untersuchung in der wissenschaftlichen Zeitschrift für Tribologie WEAR sowie im IEEE Transactions on Biomedical Engineering auch das Interesse anderer Unternehmen und Einrichtungen geweckt. Das Versteifungsprinzip lässt sich offensichtlich auch gut zum Versteifen steuerbarer Operationszangen während eines Eingriffs nutzen. Die Reibungsdaten aus den Messungen haben ihren Nutzen in vielen Bereichen bewiesen, in denen Stahlkabel mit Gummikomponenten in Berührung kommen. Auch Militär und Polizei zeigen Interesse und wollen die Technologie zur Versteifung von Schläuchen im Einsatz testen. Zu den Verwendungsmöglichkeiten gehören unter anderem die Suche nach Explosivstoffen und Bomben sowie die Sichtinspektion abgeschlossener Räume.

MGCplus Datenerfassungssystem
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