24. Februar 2022 – Raghav Acharya, ein Student am Georgia Institute of Technology in Atlanta, sah zu Avengers: Infinity War Vor ein paar Jahren hatte er einen Gedanken: Wie konnte Superschurke Thanos mit den Fingern schnippen, während er einen Metallhandschuh trug?
Acharya, ein Student, der Chemieingenieurwesen studiert, stellte diese Frage dem Assistenzprofessor Saad Bhamla, PhD. Als er und Bhamla tiefer in ihren schnappenden Superschurken eintauchten, tauchten weitere Fragen auf: Hätte der Metallhandschuh die Vibrationen gedämpft? Hätte Thanos mit metallischen Fingern mehr Kraft aufbauen können? Und was ist überhaupt wichtig, damit es zu einem Fingerschnippen kommt?
Dann stellten sie zusammen mit Elio Challita, einem Doktoranden der Bioingenieurwissenschaften, ihre Fragen auf die Probe. Mit Hochgeschwindigkeitskameras nahmen die Forscher drei Personen auf mit den Fingern schnippen in fünf Szenarien. Was sie fanden, überraschte sie.
„Das Fingerschnippen ist eine der schnellsten Winkelbewegungen, die wir bisher im menschlichen Körper beobachtet haben“, sagt Acharya. Tatsächlich ist es etwa 20 Mal schneller als ein Wimpernschlag.
Interessant, aber warum sollten wir uns um die Geschwindigkeit eines Fingerschnipses kümmern? Unser Überleben hängt nicht gerade davon ab. Aber diese Forscher fanden heraus, dass Reibung und Kompressibilität, die Fähigkeit von etwas, durch Druck abgeflacht oder reduziert zu werden – wesentliche Bestandteile eines erfolgreichen Fingerschnippens – möglicherweise eine wichtige Rolle bei der Konstruktion von Prothesen und Mikrorobotern in der Medizin und anderen Bereichen spielen könnten.
„Die Verwendung von Fingern ist wie der Mount Everest der Prothetik“, sagt John Long, PhD, Programmdirektor bei der National Science Foundation, die Bhamlas Labor finanziert.
Die Forscher waren die ersten, die den Fingerschnippen nachempfunden haben, sagt Long. Die Kompression und Reibung zwischen Daumen und Mittelfinger ermöglicht es, Energie aus der Bewegung von Sehnen und Muskeln aufzubauen. Die Finger wirken dann als Verriegelung und geben die gespeicherte Energie sofort frei (oder entriegeln).
Am lautesten zu erreichen klicken eines Fingerschnippens benötigen die Fingerspitzen genau die richtige Menge an Hautreibung und Kompression. Die Forscher bewiesen dies, indem sie ihre Variablen änderten: Beschichten der Finger mit einem Gleitmittel (Entfernen von Reibung), Ersetzen der Finger durch einen metallischen Fingerhut (Entfernen von Kompressibilität) und Bedecken der Finger mit Gummi (Hinzufügen von zu viel Reibung). In jedem Fall wurde nicht genug Energie gespeichert, um das nachzuahmen, was die menschliche Haut allein leisten könnte.
Die heutige Prothetik konzentriert sich auf Funktion und Ästhetik und verwendet starre Materialien wie Metall oder Kunststoff. Reibung als Variable wird typischerweise aus biomechanischen Konstruktionen ausgeschlossen, da sie zu Materialverschleiß führen kann. Aber basierend auf einem Fingerschnipsen wissen wir, wie viel Reibung und Kompression zur Bewegung beitragen. Wenn eine Handprothese (oder ein Mikroroboter) schnappen kann, zeigt sie ein fortgeschrittenes Maß an Geschicklichkeit, was darauf hindeutet, dass sie andere komplexe Aufgaben mit der gleichen Präzision erfüllen könnte. Prothesen, die aus flexibleren Materialien wie Silikon hergestellt werden, und eine robuste Modellierung einer ähnlichen Dynamik eines Fingerschnippens könnten dazu führen, dass die Gesamtleistung der Prothese der der menschlichen Haut ähnlicher wird.
Durch das Verständnis der Schlüsselfunktionen schneller Fingerschnippen können dieselben Prinzipien die Art und Weise, wie wir andere Systeme bauen, besser beeinflussen. Long glaubt, dass die Erkenntnisse aus dieser Forschung beispielsweise zur Entwicklung von Mikromanipulatoren beitragen könnten, die es Chirurgen ermöglichen, einen Motor federbelastet zu machen und so schnell viel Kraft auf engstem Raum freizusetzen. Bhamla spekuliert, dass das Fingerschnippen als diagnostisches Werkzeug verwendet werden könnte, um den frühen Beginn bestimmter muskelschwächender Krankheiten wie Arthritis zu identifizieren.
Nach dem Fingerschnipp-Experiment tat sich das Forscher-Trio mit Mark Ilton, PhD, einem Assistenzprofessor für Physik am Harvey Mudd College in Claremont, Kalifornien, zusammen, der ihnen half, ein mathematisches Modell zu entwickeln, das andere wissenschaftliche Bereiche mit den wesentlichen physikalischen Grundlagen der Physik versorgt ihr Experiment. Durch die Vereinfachung ihrer Arbeit können Menschen wie Robotiker und Ingenieure die wichtigsten Möglichkeiten zum Erreichen ultraschneller Beschleunigung verstehen und die Gleichung verwenden, um auf ihrer eigenen Arbeit aufzubauen.
Die Forscher haben nicht nur die schnellste von Menschenhand angetriebene Bewegung demonstriert, sie haben auch viele Bereiche der Wissenschaft berührt, von der Biologie über die Physik bis hin zum Ingenieurwesen, indem sie eine Linse in die komplexer Betrieb hinter dem, was oft als einfache, alltägliche Bewegung angesehen wird.
„Wir haben jetzt den Fingerschnipp auf die Karte gesetzt“, sagt Bhamla.
Nimm etwas davon, Thanos.