Einstellbare muskuläre Dämpfung zur Erhöhung von ’morphological computation’ bei der Fortbewegung mit Beinen

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel Häufle; Professor Dr. Tobias Siebert
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449912641

Das neuromuskuläre System von Tieren (einschließlich des Menschen) kann scheinbar mühelos Energieerzeugung, Energiedissipation und Energiespeicherung bei komplexen Bewegungsaufgaben aufeinander abstimmen und ermöglicht so eine robuste und agile Fortbewegung. Dabei tragen die viskoelastischen Eigenschaften der Muskel-Sehnen-Komplexe zur Unterstützung der Bewegungskontrolle im Rahmen von ‘morphological computation’ bei. Besonders bei der Fortbewegung auf unebenem Untergrund erzeugen die viskoelastischen Eigenschaften der Muskel-Sehnen-Komplexe die erste Kraftantwort, die zur Kompensation der Störung beitragen kann. Das ist vermutlich ein Grund, warum robuste und agile Fortbewegung – trotz neuronaler Verzögerungen von bis zu 40 % der Dauer einer Standphase – möglich ist. In der ersten Phase dieses Projekts haben wir mit einem biomechanischen Computermodell des menschlichen Beins periodische Lokomotion mit Störungen simuliert. Durch Reproduktion der simulierten Bewegungstrajektorien in einem in vitro Muskelfaserexperiment konnten wir anschließend die Kraftantwort der Muskelfasern – bei konstanter submaximaler Aktivität – untersuchen. Wir konnten nachweisen, dass die Kraftantwort der Muskelfasern abhängig von der Störungsamplitude ist, wodurch eine dynamische Anpassung an mechanischen Anforderungen möglich wird. Es wurde deutlich, dass die Preflex Eigenschaften von Muskel-Sehnen Komplexen für die Stabilisierung des Hüpfens und der zyklischen Fortbewegung von entscheidender Bedeutung sind. Unser Projekt hat jedoch zwei grundlegende Faktoren identifiziert, die für ein tieferes Verständnis des muskulären Beitrags zur Kompensation von Störungen notwendig sind: 1) Die viskoelastischen Eigenschaften einer Muskelfaser können durch Variation der Muskelaktivität gesteuert werden und damit potentiell zu „morphological computation“ Mechanismen beitragen. 2) Die Muskel-Kraftantwort hängt entscheidend von der Beinbewegung ab, die wiederum unmittelbar durch die Bodenunebenheiten beeinflusst wird (closed-loop Kopplung). In dieser Projektphase werden wir diese beide Faktoren untersuchen. Dies Untersuchung erfordert einen gänzlich neuen Versuchsaufbau, den wir entwickeln werden. Der Aufbau wird es uns ermöglichen die Aktivität einer Muskelfaser in Echtzeit zu steuern, indem wir die Calcium-Ionen-Konzentration im Faser-Bad in Echtzeit regulieren. Darüber hinaus werden wir die Regelung der Muskelfaserlänge in Echtzeit mit dem biomechanischen Beinmodell koppeln (closed-loop Kopplung). Dieser „Fibre-in-the-Loop“ Ansatz wird es uns zum ersten Mal ermöglichen, die Reaktion der Faserkraft auf Störungen unter realistischen Aktivitäts- und Kinematikbedingungen zu untersuchen. Die Ergebnisse des Projektes tragen zur Entwicklung von robusten Anwendungen in der Prothetik und Robotik bei und könnten bei der Entwicklung zukünftiger effizienter Kontrollstrategien in der Neuroprothetik oder der funktionellen elektrischen Stimulation für z.B. querschnittsgelähmte Patienten helfen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Syn Schmitt
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander Badri-Spröwitz