NX revolutioniert die Remote-Entwicklung von individuellen Armprothesen für Kinder

Ein Teenager initiiert eine medizinische Revolution

Easton LaChappelle war 14 Jahre alt, als er beschloss, eine voll funktionsfähige Hand zu bauen. LaChappelle wuchs in der Kleinstadt Mancos in einer Bergregion in Colorado auf und hatte in seiner achten Klasse nur 23 Mitschüler. Gelangweilt, neugierig und fasziniert von der Robotik überschritt er schnell die Grenzen dessen, was die Schule ihm diesbezüglich beibringen konnte. „Ich fing an, mich in meinem Schlafzimmer zu verkriechen, im Internet zu surfen und mir alles, was ich über Robotik wissen musste, beizubringen“, sagt LaChappelle.

LaChappelle beschloss, den Bau einer ferngesteuerten Roboterhand als passende Herausforderung für seine Leidenschaften anzugehen. Mit einem Sammelsurium aus Haushaltsgegenständen, das MacGyver zur Ehre gereicht hätte – bestehend aus Angeldraht, Lego, Isolierband, Scheibenwischermotoren und mehr –, probierte er nach dem Trial-and-Error-Prinzip neun Monate lang unermüdlich sehr vieles aus und „scheiterte dabei häufig ziemlich umfassend“, wie er selbst sagt.

Schließlich aber schuf LaChappelle eine rudimentäre Roboterhand, die er aber erst mit 16 Jahren weiterentwickelte. Damit stellte er die Weichen für seine unglaubliche Zukunft. Er kaufte einen billigen 3D-Drucker zur Laserbearbeitung von Holz und nutzte diesen rund um die Uhr. Er verbesserte die individuellen Fingerbewegungen der Hand und des opponierbaren Daumens. Dann beschäftigte er sich mit Unterarm, Ellbogen und Schulter, bis er einen kompletten Arm erstellt hatte.

LaChappelle nahm mit seinem Roboterarm an mehreren wissenschaftlichen Präsentationen teil, und dort nahm das Schicksal seinen Lauf. Ein Arm wie von einem Transformer, der einen Baseball werfen und Hände schütteln kann, erregt schon etwas mehr Aufmerksamkeit als die sonst auf diesen Veranstaltungen anzutreffenden Modelle explodierender Vulkane. Schon bald absolvierte LaChappelle ein Praktikum bei der NASA. Damals schüttelte Präsident Barack Obama seinem Roboterarm im Weißen Haus die Hand. Es dauerte nicht lange, und LaChappelle reiste als Keynote-Speaker durch die Welt.

Eine unerwartete Quelle der Inspiration

All das geschah im Jahr 2013, und so berauschend die Anerkennung durch die Medien für einen Teenager aus einer Kleinstadt auch war, so war es doch ein ruhigerer Moment in diesem Jahr, der den größten Einfluss auf LaChappelle hatte. „Ich war auf der Colorado State Science Fair“, erinnert er sich, „als ich dieses kleine Mädchen sah, das die Fingerbewegungen meines Roboterarms untersuchte. Ich bemerkte, dass sie eine Prothese trug. Das war das erste Mal, dass ich jemanden sah, der diese Art von Technologie nutzte.“

LaChappelle sprach mit dem Mädchen und ihren Eltern, um herauszufinden, wie ihre Armprothese funktioniert. Was er erfuhr, entmutigte und inspirierte ihn zugleich. „Ich erfuhr, dass ihre Prothese 80.000 US-Dollar gekostet hatte und nur eine Klemmvorrichtung besaß und dass sie schon bald aus der Prothese herausgewachsen sein würde, deren Herstellung ein Jahr gedauert hatte. Ich dachte: „Das kann nicht wahr sein, ich habe meinen Arm für 300 US-Dollar in meinem Schlafzimmer gebaut. Das war für mich inakzeptabel. Es war mein Aha-Erlebnis.“

Einen Monat später wurde LaChappelle eingeladen, einen TEDx-Vortrag (Technology, Entertainment Design) in Denver, Colorado, zu halten. LaChappelle sprach über das Versprechen erschwinglicher, individuell angepasster Prothesen und wurde vom Publikum mit stehenden Ovationen belohnt und erhielt einen Anruf von Tony Robbins, dem bekannten Motivationsexperten und Life Coach. „Er sagte zu mir: ,Ich habe Menschen auf der ganzen Welt psychologisch unterstützt‘“, erinnert sich LaChappelle. „Ich wollte auch schon immer bei körperlichen Belangen helfen – und Sie sind der richtige Mann dafür.“ Im Februar 2014, zwei Monate nach LaChappelles 18. Geburtstag, stellte Robbins das Startkapital für die Gründung von Unlimited Tomorrow zur Verfügung.

Werdegang und Herausforderungen von Unlimited Tomorrow

LaChappelle erkannte schnell, dass er seinen Roboterarm, so fortschrittlich er auch sein mochte, innovativ weiterentwickeln musste, um am Markt für Armprothesen etwas zu bewegen, insbesondere für die Patienten, denen er helfen wollte: Kinder wie das siebenjährige Mädchen, das ihn inspiriert hatte.

Zum einen wog der Arm, den LaChappelle baute, um die vier Kilo. Typische Armprothesen für Kinder wiegen zwischen anderthalb und zwei Kilo – und selbst das ist für viele Kinder zu schwer. „Die ernüchternde Statistik besagt, dass die Hälfte der Menschen, die eine Armprothese haben, diese nicht tragen“, sagt Sean Jones, Vizepräsident für Geschäftsentwicklung bei Unlimited Tomorrow.

Dann ist da noch die Frage des richtigen Zeitpunkts. Kinder wachsen aus ihren Armprothesen fast so schnell heraus wie aus ihren Schuhen. Einige von ihnen werden vier oder fünf Geräte nutzen, bevor sie erwachsen sind, bei einem Preis von jeweils rund 80.000 US-Dollar. Allein der Prozess der Bestellung und Anpassung eines Geräts kann sechs Monate dauern. Bis ein Kind seinen neuen Arm bekommt, ist es vielleicht schon aus ihm herausgewachsen.

Die Reduzierung des Gewichts und die Beschleunigung der Entwicklung waren nur zwei der technischen Hürden, die Unlimited Tomorrow überwinden musste. Dazu kam als dritte Notwendigkeit die Senkung der exorbitanten Kosten für eine Armprothese. LaChappelle und sein Entwicklungsteam standen jedoch vor der ebenso wichtigen Herausforderung, ein Gerät zu entwickeln, das junge Anwender gerne tragen würden, und zwar nicht nur wegen der Funktionalität, sondern auch wegen des Gefühls, das es ihnen vermittelt. „Für einige Kinder ist die Armprothese rein funktionell, sie wollen Dinge tun, die sie vorher nicht tun konnten“, erklärt Jones. „Für andere ist die psychologische Komponente wichtiger, sie wollen dazugehören. Wir haben früh erkannt, dass wir eine individuelle Prothese entwickeln müssen, die dem anderen Arm des Kindes so gut wie möglich entspricht.“

Bewegung in der Branche der Kinderprothetik

Im Jahr 2019 stellte Unlimited Tomorrow mit TrueLimb die erste leichtgewichtige, erschwingliche und realistisch aussehende Prothese mit mehreren Gliedern vor. TrueLimb-Geräte wiegen etwas mehr als ein halbes Kilo und sind damit deutlich leichter als eine typische pädiatrische Armprothese. Sie werden für jeden Nutzer individuell angepasst, bis hin zu Größe, Hautton und Fingernägeln. Mit 8.000 US-Dollar sind sie viel preiswerter als herkömmliche Alternativen. Und was vielleicht am erstaunlichsten ist: Kinder können TrueLimbs innerhalb weniger Wochen bekommen, ohne dazu das Haus verlassen zu müssen.

Wie ist es LaChappelle und seinem Team gelungen, die Prothetikbranche so dramatisch und schnell zu verändern? Durch Kombination fortschrittlicher Technologien: 3D-Fernabtastung, elektronische Sensorik und additive Fertigung.

Der Direktvertrieb von Unlimited Tomorrow beginnt und endet zuhause beim Kunden. Das Unternehmen sendet einen 3D-Scanner an den Kunden. Ein Freund oder Familienmitglied nimmt einen 3D-Scan des Restarms auf und fertigt zum Abgleich Fotos des anderen Arms an. Der Kunde wählt aus 450 verschiedenen Hauttönen aus und schickt dann die Informationen an das Unternehmen zurück. Unlimited Tomorrow druckt dann die TrueLimb-Prothese in 3D und sendet sie an den Kunden. Dies erfordert nur ein Fünftel der Zeit im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren.

Der Wert der additiven Fertigung

Obwohl eine Vielzahl von Technologien zum Erfolg von TrueLimb beitragen, nicht zuletzt die firmeneigene Muskelsensortechnologie, die den Anwendern Mehrfachgriff und individuelle Fingersteuerung ermöglicht, ist auch die additive Fertigung unverzichtbar. „Seit ich den billigen Drucker in meinem Schlafzimmer benutzte, versuche ich, die Grenzen beim 3D-Druck auszureizen“, erklärt LaChappelle. „Wir haben im Laufe der Jahre eine Reihe von Konstruktionen ausprobiert, aber wir hatten Schwierigkeiten, etwas zu finden, das robust genug ist, um dem Einsatz durch die Patienten standzuhalten, und das so individuell gestaltet ist, dass es natürlich wirkt.“

Hier kam der HP Jet Fusion 580 3D-Farbdrucker ins Spiel. „Wir waren das erste Unternehmen in den USA, das einen 580 3D-Farbdrucker erhielt“, sagt LaChappelle. „Wahrscheinlich haben wir mehr Erfahrung mit diesen Geräten gesammelt als sonst jemand auf der Welt. Sie bieten uns die perfekte Kombination aus Materialstärke und Farbpräzision.“

Lösung des wichtigen Anschlussproblems

Trotz all der hoch entwickelten Technologie, die Unlimited Tomorrow vereinte, stand das Unternehmen vor einer technischen Herausforderung, die eine umfassende Marktdurchdringung von TrueLimb gefährdete. Das wichtigste Teil einer Armprothese ist der Schaft, der am Stumpf einer Person befestigt wird. Dieser enthält nicht nur die Sensoren zur Aktivierung der Handbewegungen, sondern ist auch entscheidend für den Komfort der Prothese.

Die Ingenieure von Unlimited Tomorrow hatten Schwierigkeiten, die Schäfte so zu gestalten, dass sie den Bedürfnissen der Anwender entsprachen. Matt Landolfa, der leitende Ingenieur für die mechanische Konstruktion, erklärt: „Bei unserem früheren Arbeitsablauf erhielten wir einen 3D-Scan des Stumpfes eines Anwenders, luden ihn in unser CAD-Tool und kombinierten ihn mit einem generischen Schaftmodell. Dann nutzten wir eine andere Software, um das generische Modell an den Scan anzupassen. Der Prozess war langsam und es war schwierig, die Ergebnisse zu modifizieren. Oft mussten wir den Prozess wiederholen, ohne Garantie, dass es beim nächsten Mal klappen würde.“

In Anbetracht der Anzahl der Kunden, die Unlimited Tomorrow hatte und für die Zukunft anstrebte, war die Reduzierung der Anzahl der Testschäfte entscheidend für den Ausbau des Geschäfts. Das Unternehmen brauchte eine Software, die ihm helfen konnte, individuelle Schäfte effizienter herzustellen.

LaChappelle war skeptisch, auf dem Markt eine Software zu finden, die sein Problem lösen konnte. Dann begegnete er auf einer Konferenz zufällig einem Manager der Siemens AG. „Wir vereinbarten ein Treffen mit dem NX-Produktentwicklungsteam“, erzählt LaChappelle, „und bei diesem ersten Telefonat sagte ich ihnen: Ich glaube eigentlich nicht, dass NX oder ein anderes CAD-Paket uns helfen kann. Was wir benötigen, ist wirklich sehr schwer umzusetzen.“

NX ist Teil des Siemens Xcelerator-Portfolios, dem umfassenden und integrierten Software- und Service-Portfolio von Siemens Digital Industries Software.

Im Laufe der nächsten Monate bewiesen die Siemens-Ingenieure, dass LaChappelle falsch lag. In Zusammenarbeit mit dem Ingenieurteam von Unlimited Tomorrow entwickelten die Siemens-Berater eine Lösung, die die Software NX™ Product Template Studio nutzt. Die neue Lösung kombinierte die automatische Optimierung mit regelbasierter parametrischer Konstruktion, um Landolfa und seinem Team eine wesentlich bessere Kontrolle über die Schaftgeometrie zu ermöglichen.

Einer der Schlüssel zum Erfolg des neuen Workflows für die Schaftkonstruktion ist laut Landolfa die Assoziativität der Geometrie. „Da die Lösung aus nur einem System besteht, müssen wir bei Änderungen den Prozess nicht wie früher neu starten.“

Die Einfachheit des Systems ist für das Geschäft von Unlimited Tomorrow besonders wichtig. Um der wachsenden Nachfrage gerecht zu werden, plant das Unternehmen, die bestehende Beaufsichtigung der NX-Techniker in medizinischen Fragen abzuschaffen und die Software stattdessen von ärztlichem Fachpersonal bedienen zu lassen.

Der größte Vorteil des neuen NX-Konzepts für den Schaftentwicklungsprozess ist jedoch das hohe Maß an Qualität und Konsistenz, das dadurch erreicht wird. „Der NX-gestützte Schaftentwicklungsprozess hat im gesamten Unternehmen eine wahre Wellenbewegung ausgelöst. Wir erweitern die Möglichkeiten der Software, um dadurch unseren Betrieb weiter zu automatisieren und zu verbessern.“

Zusätzliche Vorteile von NX Additive Manufacturing

Die Leistungsfähigkeit von NX bei individuellen Scan-to-Print-Anwendungen war nicht der einzige Vorteil, den Unlimited Tomorrow durch die Software erlangte. Die Software NX Additive Manufacturing ist eng mit den 3D-Druckern von HP verbunden und auf die industrielle additive Fertigung abgestimmt. Für Landolfa ist der Einfluss von NX unmittelbar ersichtlich: „NX sorgt für eine viel reibungslosere Ausgabe beim HP 580“, sagt er. „Wir wollen unseren Kunden ein TrueLimb bieten, das sich natürlich anfühlt und ästhetisch ansprechend aussieht. Mit unserer alten Software konnte man die Bearbeitungsspuren im 3D-Druck sehen – mit NX ist dies nicht mehr der Fall. Die präzise Geometrie von NX sorgt für ein wesentlich realistischeres Ergebnis.“

Das gilt nicht nur für den Schaft der TrueLimb, sondern auch für alle anderen Komponenten der Armprothese. Unlimited Tomorrow ist dabei, die Konstruktion aller Komponenten in die NX-Umgebung zu verlagern. Außerdem erforscht das Unternehmen die automatischen Verschachtelungsfunktionen von NX. „Wir stehen an der Schwelle eines erheblichen Wachstums“, sagt LaChappelle. „Bevor wir dieses Ziel erreichen, müssen wir den Durchsatz unseres HP 580 optimieren. Hier kommt die automatische Verschachtelung ins Spiel.“

Die vielversprechende Zukunft von Unlimited Tomorrow

Wie sieht die Zukunft von Unlimited Tomorrow aus? LaChappelle, der Ende 2020 seinen 25. Geburtstag feierte, hat ehrgeizige Ziele. „Hätte man mir vor sieben Jahren, als ich allein in meinem Schlafzimmer den ersten Roboterarm baute, gesagt, dass ich heute da sein würde, wo ich nun bin, hätte ich das nie geglaubt“, sagt er. „Nach all den gemachten Erfahrungen gehe ich viel bewusster an unsere Ziele heran. Wir stellen uns immer wieder diese grundlegende Frage: ,Wie können wir ein Unternehmen aufbauen, das das Leben von 40 Millionen Amputierten auf der ganzen Welt positiv beeinflusst?‘

„Das ist hier der übergeordnete Gedanke. Und das bedeutet, dass wir unser Unternehmen erheblich vergrößern müssen. Wir werden auf Technologien wie 3D-Druck und additive Fertigungssoftware angewiesen sein, um diesen Weg mit den gewünschten Ergebnissen beschreiten zu können.“