Mechanische Hand mit Sehnen

Was das Kind lernt

• Dass die Finger keine Muskeln haben: Sie bewegen sich, weil Sehnen wie Schnüre vom Unterarm aus an ihnen ziehen.
• Was ein Gelenk (Scharnier) ist und warum im Modell jeder Finger drei hat und der Daumen zwei (dein echter Daumen hat zwei Fingerglieder und ein drittes Gelenk nahe am Handgelenk).
• Dass ein Faden, der mit Abstand zum Scharnier verläuft (im Strohhalm), einen Hebelarm bildet, der den Finger dreht.
• Dass man eine zweite Sehne oder eine Feder braucht, um den Finger zu strecken: Muskeln können nur ziehen, nicht drücken.
• Wie mechanische Handprothesen aus dem 3D-Drucker funktionieren.

Vorher vorbereiten

• Drucke Vorlage A mit 100 % (nicht „an Seite anpassen“) und prüfe, dass der Mittelfinger 22 mm breit ist.
• Nimm glatte Pappe und lege die Vorlage so, dass die Kartonwellen quer über die Finger laufen (von links nach rechts).
• Schneide die Strohhalmstücke zu: Aus einem 20-cm-Strohhalm bekommst du etwa 7 Stücke.
• Schneide die 5 Fäden à 40 cm ab und wickle an ein Ende jedes Fadens ein Stückchen Klebeband, damit er nicht ausfranst (das dient als Nadel).
• Für kleine Kinder schneidest du die Lücken zwischen den Fingern vor der Einheit selbst mit dem Cuttermesser aus.

Materialien und Werkzeuge

• Wellpappe — 1 Bogen 25 × 25 cm
  einwellig, 3 mm, glatt und ohne Knicke (Versandkarton)
• Strohhalme — 2–3
  gerade, Ø 5–6 mm (insgesamt etwa 34 cm nötig)
• Reißfester Faden — 5 Stücke à 40 cm (2 m)
  Küchengarn, dünne Kordel (≈ 1 mm) oder doppelter Nähfaden
• Durchsichtiges Klebeband — 1 Rolle
  zum Befestigen der Strohhalme
• Klebestift — 1
  zum Aufkleben der Vorlage und der Verstärkung der Handfläche
• Dünne Gummibänder — 3 (optional)
  Büro-Gummibänder, in Streifen geschnitten, damit die Finger zurückfedern
• Zahnstocher — 1
  für 8 mm lange Stopper an den Fadenenden

Werkzeuge

• Schere — Umriss, Strohhalme und Lücken zwischen den Fingern ausschneiden
• Cuttermesser mit Metalllineal — die 6 mm breiten Lücken zwischen den Fingern schneiden Erwachsene
• Leerer Kugelschreiber und Lineal — die Falze rillen
• Filzstift — Linien anzeichnen und verzieren
• Vorstecher oder Schaschlikspieß — die 2-mm-Löcher in den Fingerspitzen stechen Erwachsene
• Dicke Wollnadel — den Faden durch die Strohhalme fädeln (optional)

Teile und Vorlagen

• A · Hand (Ansicht von der Handfläche) ×1 — Wellpappe 3 mm
• B · Verstärkung der Handfläche ×1 — Wellpappe 3 mm
• C · Steuerleiste ×3 — Wellpappe 3 mm
• D · Fingerringe ×5 — Fotokarton
• E · Strohhalmstücke ×14 — Strohhalm Ø 5–6 mm
• F · Sehnen ×5 — Küchengarn oder dünne Kordel

Schritt für Schritt

1. Klebe die Vorlage auf

   Klebe Vorlage A mit dem Klebestift auf die Pappe, mit den Kartonwellen von links nach rechts (quer über die Finger). Streiche sie mit der Hand glatt, damit keine Blasen bleiben.

2. Schneide den Umriss aus Erwachsene

   Schneide den äußeren Umriss der Hand mit der Schere aus. Für die 6 mm breiten Lücken zwischen den Fingern machst du mit Cuttermesser und Lineal die zwei geraden Schnitte jeder Lücke und schneidest mit der Schere zu Ende.

   Prüfe: Jeder Finger ist 22 mm breit und bewegt sich frei, ohne am Nachbarfinger hängen zu bleiben.

3. Rille die Falze

   Fahre mit einem leeren Kugelschreiber am Lineal entlang und drücke fest auf, über alle 14 Falzlinien: 3 an jedem Finger (Knöchel 90 mm unter dem oberen Rand der Handfläche und zwei weitere) und 2 am Daumen.

   Tipp: Rille auf der Handflächenseite, also auf der Seite mit der Vorlage: Die Rille hilft, zu dieser Seite hin zu falten.

4. Falte die Gelenke

   Falte jeden Falz bis etwa 90° zur Handfläche hin und streck ihn wieder. Wiederhole das bei jedem Falz 3-mal, damit das Scharnier weich wird.

   Prüfe: Jedes Fingerglied klappt bei leichtem Antippen von allein ein, und der Karton ist auf der Rückseite nicht gerissen.

5. Verstärke die Handfläche

   Klebe die Verstärkung B (100 × 75 mm) hinten auf die Handfläche, bündig mit dem Handgelenk und unterhalb des Knöchelfalzes, mit den Kartonwellen quer zu denen der Hand.

   Prüfe: Die Handfläche biegt sich nicht mehr, wenn du in der Mitte draufdrückst.

6. Schneide die Strohhalme zu

   Schneide die 14 Strohhalmstücke E mit der Schere zu und miss sie mit dem Lineal ab: kleiner Finger 11, 21 und 30 mm; Ring- und Zeigefinger 16, 28 und 30 mm; Mittelfinger 19, 32 und 30 mm; Daumen 14 und 27 mm.

   Tipp: Leg jede Gruppe von Stücken gleich auf ihren Finger, damit nichts durcheinanderkommt.

7. Klebe die Strohhalme auf

   Leg jedes Stück mittig auf dem Finger auf seine Hilfslinie und klebe es mit zwei gekreuzten Klebestreifen (oder einer Kleberlinie) fest. Lass immer etwa 4 mm auf jeder Seite jedes Falzes frei.

   Prüfe: Beim Beugen jedes Gelenks stoßen die Strohhalme nicht aneinander.

8. Loche die Fingerspitzen Erwachsene

   Stich das 2-mm-Loch in die Spitze jedes Fingers und des Daumens mit einem Vorstecher oder einem Schaschlikspieß; leg den Karton dabei auf einen Radiergummi oder ein Stück Kork.

9. Fädle die Sehnen ein

   Steck einen 40-cm-Faden von hinten durch das Loch in der Spitze, mach einen dreifachen Knoten (oder knote einen halben Zahnstocher als Stopper an), damit er nicht herausrutscht, und fädle ihn durch alle Strohhalme dieses Fingers und der Handfläche, bis er am Handgelenk herauskommt. Wiederhole das bei allen 5 Fingern.

   Tipp: Das Stückchen Klebeband am Fadenende dient als Nadel. Wenn es schwer geht, nimm eine Wollnadel.

10. Teste jeden Finger

    Halte die Handfläche mit einer Hand fest und zieh langsam an jedem Faden, einen nach dem anderen, etwa 3–4 cm. Der Finger soll sich an allen drei Gelenken beugen und zur Handfläche hin schließen.

    Prüfe: Wenn ein Fingerglied sich nicht beugt, fahr seinen Falz noch einmal mit dem Kugelschreiber nach und falte ihn öfter.

11. Bau die Steuerleiste

    Klebe die 3 Lagen der Leiste C zusammen. Führe jeden Faden durch sein Loch (wenn du von der Handfläche aus auf die Hand schaust, ist der Daumen rechts: Nimm für den Daumen das rechte Loch, dann kreuzen sich die Fäden nicht). Knote dann bei gestreckten Fingern und gespannten, aber nicht gezogenen Fäden jeden Faden direkt unter der Leiste (auf der von der Hand abgewandten Seite) an, damit der Knoten beim Ziehen nicht durchs Loch rutschen kann.

    Prüfe: Wenn du die Leiste 4 cm nach unten ziehst, schließen sich alle 5 Finger gleichzeitig.

12. Stelle die Längen ein

    Schließt sich ein Finger früher als die anderen, löse seinen Knoten und knote ihn 5–10 mm weiter unten neu; schließt er sich zu spät, knote ihn weiter oben. Ziel ist, dass alle Finger gleichzeitig anfangen, sich zu bewegen.

13. Rückholfedern (optional)

    Schneide 5 Streifen Gummiband à 12 cm ab. Klebe auf der Rückseite jedes Fingers ein Ende mit Klebeband an die Spitze und das andere an die Handfläche, wobei du den Gummi etwas dehnst (1 cm). Wenn du die Fäden loslässt, öffnen sich die Finger von allein.

    Tipp: Ist der Gummi zu stark und lässt sich der Finger schwer schließen, klebe ihn weniger gedehnt fest.

14. Greif Gegenstände

    Halte die Hand mit einer Hand an der Handfläche und zieh mit der anderen an der Leiste, um einen leeren Plastikbecher, eine Papierkugel oder eine Rolle Klebeband zu greifen.

Funktioniert es? Der Test

Halte die Handfläche fest und zieh die Steuerleiste 4–5 cm. Versuch danach, einen leeren Plastikbecher und eine Papierkugel mit 5 cm Durchmesser zu greifen.

Was passieren soll: Die fünf Finger schließen sich bei etwa 4–5 cm Fadenweg gleichzeitig zu einer Faust. Die Hand hält einen leeren Plastikbecher (≈ 10 g) oder eine Papierkugel; ein Becher mit Wasser rutscht heraus.

Wenn etwas nicht klappt

• Der Finger beugt sich nicht oder nur an der Wurzel — Zu schwach gerillte Falze oder Kartonwellen längs zum Finger. Lösung: Fahr die Falze mit dem Kugelschreiber nach und falte sie mehrmals. Laufen die Wellen längs zum Finger, schneide an jedem Falz auf der Handflächenseite oberflächlich ein (nur die obere Lage).
• Der Faden rutscht beim Ziehen aus der Spitze — Zu kleiner Knoten, der durchs Loch passt. Lösung: Mach einen dreifachen Knoten oder knote hinten ein 8 mm langes Stück Zahnstocher als Stopper an.
• Die Handfläche knickt ein, statt dass sich die Finger schließen — Handfläche ohne Verstärkung oder Fäden ziehen stark zur Seite. Lösung: Klebe die Verstärkung B auf und zieh die Fäden gerade in Richtung Handgelenk.
• Die Strohhalme lösen sich — Klebeband haftet schlecht auf staubiger Pappe oder auf glatten Strohhalmen. Lösung: Nimm einen Tropfen Heißkleber (Erwachsener) oder Bastelkleber und lass 10 Minuten trocknen.
• Die Finger öffnen sich nicht, wenn du loslässt — Der Karton bleibt gefaltet; es gibt keine Strecksehne. Lösung: Bau die Rückholfedern aus Gummiband auf der Rückseite jedes Fingers ein.
• Mit der Leiste schließen sich manche Finger früher als andere — Unterschiedlich gespannte Fäden. Lösung: Knote die Fäden an der Leiste neu, wenn alle Finger gestreckt und die Fäden gerade gespannt sind.

Sicherheit

• Das Cuttermesser für die Lücken zwischen den Fingern benutzt ein Erwachsener, mit Metalllineal und Schneidematte.
• Beim Stechen mit Vorstecher oder Schaschlikspieß: immer auf Kork oder Radiergummi und mit der Spitze weg von der anderen Hand.
• Binde dir die Fäden nicht um die Finger oder den Hals: Nimm die Ringe aus Fotokarton, die lösen sich von selbst.
• Wenn du Heißkleber für die Strohhalme verwendest, trägt ihn ein Erwachsener auf: Er verbrennt die Haut.

Die Wissenschaft dahinter

Für die Kinder

Beweg deine Finger und schau dir dein Handgelenk an: Du siehst Schnüre, die sich unter der Haut bewegen. Das sind die Sehnen. Die Muskeln, die die Finger bewegen, sitzen im Arm und ziehen an den Sehnen, so wie du am Faden ziehst. Die Strohhalme sind wie die Ringe in deinen Fingern, die die Sehne am Knochen halten. Und weil Muskeln nur ziehen können, braucht es zum Öffnen der Hand eine zweite Sehne auf der Rückseite: unsere Gummis.

Für Erwachsene

Das Modell bildet die Beugesehnen der Hand nach: Die Muskelbäuche der Fingerbeuger liegen im Unterarm und übertragen die Kraft über Sehnen, die auf der Handflächenseite verlaufen und von den Ringbändern (hier den Strohhalmstücken) an den Fingergliedern gehalten werden. Jeder Falz ist ein Scharniergelenk (ein Freiheitsgrad): Grund-, Mittel- und Endgelenk an den Fingern; der Daumen des Modells hat zwei. Der Faden verläuft im Abstand d (≈ 3–4 mm, Radius des Strohhalms plus Kartondicke) zur Scharnierachse; die Zugkraft T erzeugt an jedem Gelenk ein Drehmoment T·d. Weil sich das Drehmoment gleichmäßig entlang des Fadens verteilt, beugt sich das weichste Gelenk zuerst: Deshalb müssen alle Falze gleich gut vorbereitet sein. Der Fadenweg zum Schließen eines Fingers ist ungefähr die Summe von d·θ an jedem Gelenk (3 Gelenke × 4 mm × 1,57 rad ≈ 2 cm, plus Spiel). Muskeln können sich nur zusammenziehen, also braucht das Strecken eine zweite Sehne (die Strecker auf dem Handrücken) oder ein elastisches Element – genau das leisten die Gummis. Die 3D-gedruckten Handprothesen vieler gemeinnütziger Projekte nutzen genau dieses Prinzip mit Zugfäden und Rückholgummis, betätigt durch das Abknicken des Handgelenks.

• Sehne: reißfeste Schnur, die den Muskel mit dem Knochen verbindet und seine Kraft überträgt.
• Gelenk: Verbindung zwischen zwei Knochen, die Bewegung erlaubt; hier jeder Falz.
• Fingerglied: jeder der Knochen der Finger; drei an jedem Finger und zwei am Daumen.
• Beugung: die Bewegung, mit der ein Gelenk gebeugt wird.
• Prothese: künstliches Teil, das einen Körperteil ersetzt.

Nach Alter

• 5–7 Jahre: Der Erwachsene schneidet die Hand aus, rillt die Falze und sticht die Löcher. Das Kind faltet die Falze, klebt die (schon zugeschnittenen) Strohhalme mit Klebeband auf und fädelt mit Hilfe die Fäden ein. Nehmt die Steuerleiste, damit sich die ganze Hand schließt.
• 8–10 Jahre: Kompletter Bau, nur mit Hilfe bei Cuttermesser und Vorstecher. Die Kinder stellen die Fadenlängen an der Leiste selbst ein, bis sich alle Finger gleichzeitig schließen.
• 11–12 Jahre: Sie entwerfen ihre eigene Hand nach dem eigenen Umriss, mit Fingern von mindestens 20 mm, und ergänzen Strecksehnen aus Gummi. Challenge: den Fadenweg pro Finger messen und mit der Rechnung d × Winkel vergleichen.

In der Gruppe oder in der Klasse

Einzeln oder zu zweit (eine Hand pro Kind motiviert am meisten; die Materialien sind recycelt). Vorher: für die Kleinsten die Hände drucken und ausschneiden, die Lücken zwischen den Fingern mit dem Cuttermesser schneiden und Tütchen mit 14 Strohhalmstücken und 5 Fäden vorbereiten. Einheit von 70 min: 10 min die Sehnen am eigenen Handgelenk beobachten, 45 min Bauen, 15 min Challenges (Gegenstände von einem gemeinsamen Tisch greifen). Heißkleber an einer Station bereithalten, die ein Erwachsener beaufsichtigt.

Challenges

• Greif einen leeren Plastikbecher und trag ihn von einer Seite des Tisches zur anderen, ohne dass er herunterfällt.
• Ergänze Strecksehnen aus Faden auf der Rückseite und eine zweite Leiste, mit der du die Hand durch Ziehen öffnest.
• Setz die Hand auf einen Unterarm aus einer Küchenpapierrolle und führe die Fäden innen hindurch bis zu einer Leiste am Ende.
• Lass die Hand mit den Ringen von 1 bis 5 zählen.
• Klebe Fingerkuppen aus Gummi oder Moosgummi auf die Spitzen und miss, wie viel mehr Gewicht die Hand hält.

Weitere kostenlose Projekte

• Kritzelroboter
• Tanzender Vibrationsroboter
• Spinne mit sechs Gelenkbeinen

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