Analyse und Synthese der Katapultauslösung beim Fußabdruck im menschlichen Gang

• Antragstellerin: Dr. Susanne Lipfert
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 267093216

Die technische Nachbildung des menschlichen Gehens stellt eine Herausforderung dar. Heutige Gehprothesen sind zwar hochentwickelt, aber ihre Funktion zeigt nach wie vor Defizite im Vergleich zum menschlichen Vorbild. Erst vor Kurzem wurde ein Katapultmechanismus funktionell beschrieben, der beim menschlichen Gehen am Ende der Standphase auftritt. Hier zeigt das Sprunggelenk beim Fußabdruck ein beeindruckendes Leistungsmaximum. Ermöglicht wird dies durch eine abgestimmte Koordination von Knie- und Sprunggelenk, die bisher noch nicht in technischen Anwendungen umgesetzt wurde. Derzeit sind das Timing und die Koordination der Auslösung des Abdruckkatapults noch nicht identifiziert. Dieser Auslösung soll nun im Rahmen dieses Projekts auf den Grund gegangen werden. Kinematische und dynamische Daten aus Experimenten mit gehenden Menschen sollen mithilfe inverser Dynamik für die Berechnung von Gelenk- und Segmentdynamik genutzt werden. Die Dynamik von Ober- und Unterschenkel wird hierbei zeigen wie die Segmentkette zum Fußabdruck hin koordiniert ist und welche mechanische Struktur letztlich die katapultartige Freisetzung der Energie auslöst. Forscher des Biorobotics Laboratory (BIOROB) der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) entwickeln ein neuromechanisches Modell zur Simulation und Regelung zweibeinigen Gehens. Dieses einfache Modell zeigt, dass lokale Prozesse ohne zentrale Kontrolle zu globalem Beinverhalten führt, was z.B. für die Mensch-Maschine Interaktion von großer Bedeutung ist. Außerdem erlauben die Eigenschaften des Modells (z.B. Masse und Trägheit der Körpersegmente) das Untersuchen des Auslösemechanismus der Katapultfunktion, die beim Abdruck am Ende der Standphase beim menschlichen Gehen beobachtet wird. Diese Art der einfachen neuromechanischen Modellierung des menschlichen Gehens ist noch selten. Der Vergleich von Experiment und Modell wird zeigen inwieweit modellierte neuronale Reflexe den Auslösemechanismus bereits implizieren. Durch die Ergänzung expliziter Gelenkkoordination sollen Abweichungen kompensiert werden. Das Verständnis des Auslösemechanismus und der zugrunde liegenden neuromuskulären Koordination ermöglicht bessere Gangrehabilitation und hilft Regler zu entwickeln, die Gehhilfen und andere technische Gehmodelle verbessern. Robotiker und Prothesenbauer werden erheblich von den Ergebnissen dieses Projekts profitieren. Die Lebensqualität von Amputierten und Gelähmten kann verbessert werden, wenn Ergebnisse dieses Projekts in Hilfsgeräten umgesetzt werden. Behinderte Sportler werden an Wettkämpfen teilnehmen können und damit nicht nur die öffentliche Aufmerksamkeit für ihre Herausforderungen, sondern auch für ihre Möglichkeiten mit der Nutzung von Hilfsgeräten erhöhen.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Schweiz
• Gastgeber: Professor Auke Jan Ijspeert, Ph.D.