Skalenübergreifende Modellierung der muskulären Schwabbelmassen-Dynamik

• Antragsteller: Dr. Kasper Christensen; Professor Dr. Syn Schmitt
• Fachliche Zuordnung: Mechanik ; Biochemie und Physiologie der Tiere
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 552918860

Skelettmuskeln sind die Antriebe biologischer Fortbewegung. Ihre komplexe Struktur ist es wohl, die sie unempfindlich gegen wiederholte Stoßanregungen während der Fortbewegung an Land sein lässt. Rennen verursacht solche Stöße bei jedem Beinaufprall, und ein Muskel antwortet darauf mit gedämpften Oszillationen (Schwabbelmassen-Dynamik). Diese Schwabbelmassen-Dynamik hängt stark von der Muskelmasse ab, also der Tiergröße. Sie hat deutliche Auswirkung auf Bodenreaktionskräfte und Gelenkkräfte, und zunehmend mit der Größe des Tieres ist es anzunehmen, dass sie einwirkt auf die Krafterzeugung auf Sarkomer-Ebene. Wir streben hier nach dem Verständnis dessen, wie der Muskel sowohl auf mikro- wie makroskopischer Ebene auf reale Stoßbedingungen antwortet im Tiergrößenbereich ≈100g bis 500kg. Bis zu diesem Zeitpunkt hat unsere Arbeitsgruppe einen Versuchsaufbau entwickelt, der die Beinaufprallbedingungen emuliert, und die auftretenden Oszillationen in isolierten Muskeln gemessen. Zudem konnten wir aus den Zeitsignalen der Schwabbelmassen-Dynamik charakteristische Frequenzen extrahieren, sowie einige davon durch analytische Berechnung als Eigenfrequenzen identifizieren. Jedoch sind alle bisherigen Erkenntnisse eingeschränkt zu dem M. gastrocnemius eines kleinen Tieres mit 400g Körpermasse (Ratte). Um das Verständnis des mechanischen Muskel-Designs weiter zu befördern, ist zuerst geplant, die Eigenschaften der Sehnen unter hochdynamischen Stoßbedingungen zu bestimmen. Diese sind dann in unser komplexes, direkt-dynamisches Simulationsmodell einzupflegen. Jenseits unseres analytischen Modells zur Berechnung von Eigenfrequenzen, das bisher 3 Freiheitsgrade beinhaltet, muss das komplexe Simulationsmodell die Asymmetrie der Sehnen, ein möglicherweise inhomogene Verteilung der Muskelbauchmassen, sowie die allometrische Skalierung des gesamten Muskels (MTC: Muskel-Sehnen-Anordnung) abbilden. Durch das Herausarbeiten der Abhängigkeit der Frequenz-Allometrie von den konstituierenden mechanischen Eigenschaften des MTC können wir charakteristische Frequenzen größerer Tiere abschätzen und ihre funktionale Bedeutung in der Fortbewegung untersuchen. Zudem werden wir durch Kombination der nicht-linearen Kraft-Dehnungs-Charakteristiken auf Sarkomer-Ebene mit dem erhaltenen Wissen über die Allometrie die Dehnungsdynamik der Sarkomere und die Dämpfungseigenschaften in Beinaufprall-Situationen über die Tierarten hinweg vorhersagen. Das beantragte Projekt wird zu einem verbesserten Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehung von Muskel und dessen alltäglichem Einsatz führen, ebenso zum Verständnis von Muskelverletzung und -regeneration, dadurch, dass typische Lastbedingungen nach Beinaufprall mit Muskelgewebe-internen dynamischen Prozessen in Beziehung gesetzt werden, von kleinen bis zu großen Tieren. Weiterhin trägt ein verbessertes Verständnis des universellen biologischen Antriebs `Muskel' zur Entwicklung biomimetischer robotischer Aktuatoren und von Prothesen bei.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen