HATon - Untersuchung des Oberkörpereinflußes auf die globale Dynamik des menschlichen Gehens

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Daniel Renjewski; Professor Dr. Syn Schmitt
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Angewandte Mechanik, Statik und Dynamik ; Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 542210636

Im Projekt HATon soll ein vertieftes Verständnis der Mechanik und Regelung des menschlichen Ganges unter besonderer Berücksichtigung der Dynamik und Deformation des Oberkörpers, bestehend aus Rumpf, Armen und Kopf, entwickelt werden. Dazu werden Experimentalaufbauten (Laufband mit bewegten, rechts-links getrennten Kraftmessplatten und einem Sicherungs- und Störsystem) entwickelt, um geeignete biomechanische Experimente durchzuführen, und aus den erhobenen Daten Modelle abgeleitet, mit denen die beobachtete Dynamik erklärt und Regelungsstrategien getestet werden können. Dabei werden sowohl reduktionistische mechanische Modelle zum Verständnis des Bewegungsgrundprinzips des menschlichen Ganges als auch ein komplexes neuro-muskel-skelettales Ganzkörpermodell des Menschen zur detaillierten Computersimulation der Gehbewegung weiterentwickelt; im ersten Falle basierend auf dem Stand der Literatur und im zweiten durch Synthese vorhandener komplexer Teilmodelle der kompletten Wirbelsäule und der unteren Extremitäten, inklusive des Beckens, beide Teilmodelle bereits implementiert in Haus-eigenem Hochsprachencode (C und C++). Neben detailliertem Modellverständnis aus der dynamischen Vorwärtssimulation wird ein inverse-dynamisches Modell zur Analyse lokaler Dynamik der Segmente und Gelenke des gesamten menschlichen Körpers in verbreiteten, interpretierten Scriptsprachen (octave-Matlab-kompatibel) entwickelt, das auf der Basis der erhobenen Bodenkraftmessungen und der kinematischen Markerdaten die Zeitverläufe der Schnittkräfte und -momente (Gelenkmomente) berechnet. Diese experimentellen Roh- und Analysedaten dienen der Validierung des komplexen Ganzkörpermodells, aber auch der Überprüfung jeglicher reduktionistischer Bewegungsmechanik-Modelle. Durch das Einbringen geplanter Störungen, insbesondere zeitlich und in der Kraftamplitude sehr gezielter Körperentlastungseingriffe in den Gang und die Reaktion der Probanden auf diese Störungen, kann mittels der Simulationsrechnungen des Ganzkörpermodells auf selbststabilisierende Mechanismen sowie Regelkreise und -konzepte geschlossen werden, die vertiefte Einblicke in biomechanische Design-Kriterien des Bewegungsapparates, mögliche neuronale Verschaltungen und somit biologische Regler erlaubt. Ebenso können lokal mechanische Energiebilanzen bestimmt werden, welche sowohl Schlüsse auf funktional bedeutsame Elastizitäten und Energiedissipation sowie metabolische Berechnungen einzelner Muskeln ermöglichen. Die im Projekt erhobenen Daten, entwickelten Modelle und entstandenen Softwarepakete werden der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Nutzung und Weiterentwicklung zur Verfügung gestellt. Von den erwarteten Erkenntnissen des Projektes profitieren, neben der biomechanischen Grundlagenforschung, auch die medizinische Rehabilitation von Patienten mit Gehstörungen nach Unfällen oder durch Krankheit, sowie die technische Entwicklung von Gangassistenzsystemen und humanoiden Robotern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Daniel J. Rixen