Vergleichende experimentelle Ansätze und numerische Modelle zu vielbeiniger Lokomotion - Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher Beinzahlen und Laufgeschwindigkeiten auf Laufbeinkoordination und Laufdynamik anhand schnell laufender Insekten-, Arachniden-, Assel- und Hundertfüßerarten.

• Antragsteller: Dr. Tom Weihmann
• Fachliche Zuordnung: Systematik und Morphologie der Tiere ; Biologie des Verhaltens und der Sinne ; Biophysik ; Ökologie und Biodiversität der Tiere und Ökosysteme, Organismische Interaktionen
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429054590

Es scheint absehbar, dass autonome Assistenzsysteme Einzug in den Alltag vieler Menschen halten werden. Doch menschliche Lebensbereiche sind vielfältig und voll von Hindernissen aller Art. Besonders in unregelmäßigem Gelände haben beingetriebene Antriebssysteme enorme Vorteile gegenüber radgetriebenen Strukturen. Zudem sind vielbeinige lokomotorische Apparate statisch sehr stabil. Deshalb werden viele zukünftige technische Systeme, zusätzlich zu Rädern, über beinbasierte Antriebe verfügen. Die Grundlage für derartige technische Lösungen bildet unser Wissen über die vielbeinige Lokomotion biologischer Vorbilder. Ein Musterbeispiel dafür sind Arthropoden. Für diese ist der Einfluss basaler Parameter, wie unterschiedliche Laufbeinzahlen oder Beinkoordinationsmuster, auf die Laufdynamik der schnellen Lokomotion bisher jedoch völlig unzureichend untersucht. Dementsprechend zielt das vorliegende Vorhaben auf die experimentelle Untersuchung terrestrischer Lokomotion verschiedener Arthropodenarten mit drei bis 14 Laufbeinpaaren, sowie auf die Weiterentwicklung entsprechender numerischer Modelle. Die gewonnenen Erkenntnisse zu Biomechanik, Leistungsgrenzen und Bewegungskoordination sind auch für unser Verständnis von Migrationsprozessen und bzgl. der Dynamik von Ökosystemen grundlegend. Bisher sind entsprechende Daten nur für einige wenige Arten vorhanden, die nicht annähernd die vorhandene Fülle verschiedener lokomotorischer Apparate widerspiegeln. Ähnlich verhält es sich mit mathematischen Modellen. Für Insekten und Arachniden konnte ich kürzlich nachweisen, dass manche Arten ihre Beinkoordination ändern, wenn sie von mittleren zu hohen Geschwindigkeiten wechseln. Dieser Wechsel wirkt sich deutlich auf Laufdynamik, -energetik und -stabilität aus. Mithilfe eines numerischen Modells konnte ich nachweisen, dass mit zunehmender Anzahl der Beinpaare der Einfluss kleiner koordinativer Veränderungen auf Laufdynamik und -energetik drastisch zunimmt. Da so kleine Verschiebungen bisher vernachlässigt wurden, könnten Änderungen der Laufdynamik und damit Gangartwechsel in einer ganzen Reihe von Arthropoden übersehen worden sein. Entsprechend sollen im vorliegenden Projekt die Geschwindigkeitsbereiche und Koordinationsmuster für verschiedene Insekten-, Arachniden-, Assel- und Hundertfüßerarten untersucht werden. Diese Arten sind alle ähnlich groß, poikilotherm und besitzen Exoskelette, so dass diese Eigenschaften die Ergebnisse nicht beeinflussen werden. Bei hohen Geschwindigkeiten nutzen sie 2, 3, 4, 7 oder 14 Beinpaare. Die Bewegungen werden mit Hilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera, halbautomatischen Auswerteverfahren und neuartiger Analysetechniken untersucht. Mit den Ergebnissen der Untersuchung können numerische Modelle validiert und um weitere, aus den Messungen abgeleitete, Parameter ergänzt werden, so dass deren Einfluss auf vielbeinige Fortbewegungsarten beurteilt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen