3D bipede Fortbewegung von Vögeln auf ebenen und unvorhersagbaren Terrain: Eine integrative Studie zur Kontrolle von Lokomotion sowie Körper- und Beinproportionen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Emanuel Andrada
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 326979688

Bipedie evolvierte vor etwa 230 Millionen Jahren in Archosauriern, eine Gruppe die Krokodile und Dinosaurier umfasst. Aus dieser Gruppe entwickelten sich außerdem die Vorfahren der modernen Vögel. Rezent existieren etwa 10.000 Vogelarten. Neben dem Fliegen haben viele Vögel effiziente Anpassungen an eine terrestrische Fortbewegung entwickelt und nutzen neben Gangarten wie Gehen und Laufen, auch grounded running (Laufen ohne Flugphasen) oder mixed gaits (eine Kombination aus Gehen und Laufen). Aufgrund der hohen Diversität rezenter Vögel und Anpassungen an verschiedenste Habitate und biomechanischen Anforderungen findet man erhebliche Unterschiede in der Morphologie der hinteren Gliedmaßen. Vögel bieten also ein geeignetes Tiermodell für das Verständnis der funktionellen Anforderungen an die Bipedie, und wie diese Anforderungen sich mit der Körpergröße oder Verschiebungen in den Beinsegmentproportionen ändern. Mit dem geplanten Forschungsvorhaben möchte ich folgende Fragen beantworten: i) Welche sind die konstruktiven (morphologischen) Proportionen, die stabile Fortbewegung gewährleisten? ii) Wie beeinflussen ökologische und biomechanische Faktoren den Aufbau der Hinterbeine und wie beschränkt diese Konstruktion motorische Steuerung und Regelung während Lokomotion auf ebenem und unebenem Terrain? III), Welchen Einfluss hat die pronograde Rumpfstellung auf die Laufstabilität während unebener Lokomotion? iiii) Können Beinsegmentlänge und Beinsegmentkinematik vorhergesagt werden? Um diese Fragen zu beantworten, plane ich synchrone röntgenvideographische Messung, Bodenreaktionskräfte und Muskelaktivierung mit numerischen Simulationen zu kombinieren. Tierversuche werden mir erlauben, eine sehr genaue 3D inverse Dynamik auf ebenem, unebenem und unberechenbarem Terrain zu berechnen. Mittels Elektromyographie werde ich das Aktivierungsmuster der Beinmuskeln vor und während des Auffußens auf einer Hürde oder in einem Loch untersuchen, um zu prüfen ob das Aktivierungsmuster sich in Bezug auf die Beingeometrie unterscheiden. Die Tierversuche werden die Eingangsdaten für templates (numerische Simulationen) liefern, um die Stabilität der Fortbewegung auf unebenem Gelände zu untersuchen. Mit Hilfe von numerischen Simulationen werde ich auch untersuchen welche konstruktiven (morphologischen) Proportionen selbst-stabile Fortbewegung in Vögeln und Dinosauriern gewährleisten. Ich erwarte, dass die Körper- und Beinsegmentproportionen auf Stabilität und Energieminimierung basieren. Des Weiteren soll ermittelt werden wie Rumpf-Balance, verschiedene Beinproportionen, verschiedene Beinsegmentierung die Navigierfähigkeit auf ebenem und unebenem Terrain beeinflussen. Die Kombination von experimentellen Methoden und Simulationstechniken wird es ermöglichen Gangarten, Bewegungsgeschwindigkeiten und Kinematik von rezenten und ausgestorbenen Zweibeiner vorherzusagen, um auch neue Konstruktionswege in der Robotik einzuschlagen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen