Stossantwort von aktivierter Muskulatur: Experiment und Modellierung

• Antragsteller: Professor Dr. Syn Schmitt; Professor Dr. Tobias Siebert
• Fachliche Zuordnung: Arbeitswissenschaft, Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 234087184

Muskeln sind die Motoren der biologischen Bewegung. Dabei ist die Muskelmasse nachgiebig am Skelett befestigt. Die ausgeklügelte Konstruktion der Muskeln erlaubt es, Stöße während des Kontraktionsvorgangs zu tolerieren. Solche Stöße treten zum Beispiel beim schnellen Rennen zum Zeitpunkt des Bodenkontakts auf. Diese Stoßereignisse erregen gedämpfte Schwingungen im Muskel, die dem Kontraktionsvorgang überlagert sind. Unser Ziel ist es, das Verständnis von Muskelkontraktionen bei realistischen Stoßbelastungen zu verbessern. In den beiden vorangegangenen Förderphasen haben wir einen experimentellen Aufbau entwickelt, der es ermöglicht, die stoßinduzierte Dynamik eines aktivierten Muskels unter alltagsnahen Bedingungen direkt zu messen. Darüber hinaus wurde die experimentelle Methode so weiterentwickelt, dass elastische und dämpfende Eigenschaften der Muskulatur auf Querbrückenebene bestimmt werden können. Das Modellverständnis wurde verbessert, indem wir das Querbrückenmodel durch eine Punktmassenverteilung entlang der Faser erweitert haben. Der Übergang von einem Modell erster Ordnung zu einem Modell zweiter Ordnung erlaubt nun die direkte Simulation von Stoßsituationen, analog zu den bereits durchgeführten Stoßexperimenten. Mit den vorliegenden Ergebnissen können wir zeigen, dass die Trägheit im Muskelgewebe einen bedeutenden Einflussfaktor in der Evolution terrestrischer Fortbewegung darstellt. Ein wesentliches Forschungsergebnis ist, dass die inhärente Muskelträgheit die maximale Fortbewegungsgeschwindigkeit bei pedaler Lokomotion begrenzt. In der beantragten, letzten Projektphase sollen gezielt offene Fragen beantwortet werden, die sich aus den Forschungen der ersten beiden Projektphasen ergeben haben. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf einem besseren Verständnis der Designkriterien von Skelettmuskeln. Dazu werden wir unser Muskelmodell mit den experimentellen Daten der unterschiedlichen Stoßszenarien (Variation von Bodenreaktionskraft, Stoßdauer, Muskellänge und Kontraktionsvorgeschichte) validieren. Um den Einfluss von Titin auf das passive Fasermaterial besser zu verstehen, wird das vorhandene Fasermodell um ein Titin-Submodell erweitert. Als weiteren Schritt zur Validierung des neuen Modells sollen experimentelle Work-Loop Daten mit der simulierten lokalen Energiedissipation verglichen werden. Hierfür sollen Wellenausbreitungs-Daten mit höherer Ortsauflösung verwendet werden. Die Ergebnisse des Projektes tragen zu einem besseren strukturellen und mechanischen Verständnis der Skelettmuskulatur bei. Insbesondere die Verknüpfung von typischen Belastungssituationen (welche häufig mit stoßinduzierter Wellenausbreitung im Muskel assoziiert sind) mit dynamischen Prozessen der Krafterzeugung ermöglichen prospektiv die Interpretation von Muskelverletzungen und Überbelastungen. Zusätzlich wird ein verbessertes Verständnis der biologischen Muskeldesigns helfen, neuartige, biomimetische Antriebssysteme zu entwerfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen