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Schwerpunkte der Bewegungsforschung in Jena

Unsere Forschungsinteressen erscheinen bei der Betrachtung der zahlreichen Projekte in dieser Datenbank breit gefächert, doch sind sie alle durch die grundlegende Frage nach der Evolution des Bewegungssystems verbunden. Wir suchen nach den funktionellen und strukturellen Bedingungen, welche der großen Vielfalt von Bewegungsweisen innerhalb der Landwirbeltiere zugrunde liegen. Unser funktionsmorphologischer Ansatz sieht das Bewegungssystem und die Möglichkeiten seiner Anpassung an die spezifischen Erfordernisse der jeweiligen Umwelt einer Tierart stets vor dem Hintergrund einer Phylogenie-Hypothese. Diese Perspektive auf das evolutive Erbe und die Grenzen, die es einer Anpassung setzt, bestimmt maßgeblich die Möglichkeit, biologische Lösungsprinzipien in die Technik zu übertragen. Die für biologische Strukturen bestimmende Multifunktionalität widerspricht den meist uni- bis oligofunktionalen, technischen Systemen.

Fortbewegung kleiner Säugetiere

Aus verschiedenen Gruppen der Säugetiere wurden unter anderem Hunde (Canis lupus f. familiaris), Beutelratten (Dasyuroides byrnei, Monodelphis domestica), Spitzhörnchen (Tupaia glis), Hasenartige (Ochotona rufescens), Nager (Galea musteloides, Rattus norvegicus), Marder (Mustela putorius f. furo), Rüsselspringer (Macroscelides proboscideus), Klippschliefer (Procavia capensis) und kleine Affen (Eulemur fulvus, Microcebus murinus, Saguinus oedipus, Saimiri sciureus) untersucht. Sie alle gleichen sich in der Geometrie ihrer Beine: drei propulsive Elemente werden in einer Zickzack- Konfiguration geführt und die Hauptbewegung wird im obersten Drehpunkt erzeugt. Die zwangsgekoppelte Parallelführung von erstem und drittem Segment gleicht in ihrer Wirkung einem Pantographen, einem klassischen Zeichengerät, bei dem der Bewegungsumfang eines Elementes durch ein mobiles Mittelsegment auf ein drittes übertragen wird. Dabei bleibt die Winkelung gleich, der zurückgelegte Weg des distalen Punktes wird aber größer. Dieses Bewegungsprinzip ist für kleine Säugetiere besonders vorteilhaft, denn in ihren Lebensräumen ist jedweder Untergrund unübersichtlich und voller Hindernisse, der nächste Auffußort der Beine ist durch die Sinne häufig nicht antizipierbar. Die Beine arbeiten als Stoßdämpfer und verringern den Umfang vertikaler Bewegungen des Rumpfes. Für schnelle Fortbewegung in synchronen Gangarten wie Galopp oder Halfbound werden Rumpfbewegungen stattdessen ausgiebig genutzt. Durch Beugung und Streckung der Wirbelsäule in der Sagittalebene kann die Schrittlänge um mehr als 50 Prozent gesteigert werden.

Prinzipien der Beinbewegung kleiner Säugetiere in symmetrischen Gangarten: Vorder- und Hintergliedmaßen bestehen aus drei propulsiven Elementen (+ Kontaktelemente), haben die gleiche funktionelle Länge, die gleiche Winkelbewegung und die gleiche Schrittlänge. Erstes und drittes Element werden jeweils parallel geführt.

These principles of limb geometry and limb movement are of particular importance for the dynamic stability of locomotion in small mammals, because of the notorious discontinuity of all the substrates on which they walk and run. Due to their body size, small mammals are limited in their capabilities to anticipate (by sensory input) the substrate properties of the next location for foot placement. Therefore, they have to accept the irregularities of the ground instead of circumvent them. In this context, the limbs work as dampers and reduce major vertical oscillations of the body axis and the head. As an alternative, mammals “invented” synchronous gaits such as bound, halfbound and gallop, which minimize the potentially disturbing substrate contacts. Synchronous gaits involve comprehensive flexion and extension of the lumbar spine in the sagittal plane, which may contribute up to 50 percent to the stride length of the animal.

Verbundprojekte und Kooperationen:

DFG Innovationskolleg „Bewegungssysteme“ (1996-2001):

Kompetenzzentrum für Interdisziplinäre Prävention (KIP) (seit 2002)

Ausgewählte Publikationen:

Laufmaschinen, Kletterroboter, Sensorik und neuronale Kontrolle

Die Robustheit der Bewegung kleiner Säugetiere, ihre dynamische Selbststabilität gegenüber externen Störungen, hat die Ingenieurwissenschaften schon früh inspiriert, beispielsweise zur Entwicklung von Beingeometrien für Laufmaschinen. Neigungsabhängige Veränderungen der Fortbewegung bei Ratten, kleinen Affen und beim Chamäleon wurden untersucht, um basierend auf dem Spektrum biologischer Lösungen einen kleinen Kletterroboter zu entwickelt. Aktuell stehen Fragen nach der neuronalen Kontrolle und dem Einfluss sensorischer Informationen im Mittelpunkt der Kooperationen mit den Ingenieurwissenschaften. Am Beispiel der Ratte wird untersucht, wie schnell das Bewegungssystem auf eine unvorhergesehene Störung reagieren kann oder wie sich Bewegungsmuster ändern, wenn bestimmte Sinnesinformationen nicht verfügbar sind.

Schwieriges Substrat: Ratten laufen über eine Falltür, deren Absenkung über die Bodenreaktionskraft des Beines gesteuert wird (oben) oder auf einem perforierten Laufband. Elektroden messen die Aktivität des M. triceps brachii und des M. biceps, beide kontrollieren das Ellbogengelenk. Der M. triceps „misst“ außerdem die funktionelle Länge des Beines.

Verbundprojekte und Kooperationen:

DFG Schwerpunktprogramm „Autonomes Laufen“ (1997-2003):

BMBF Verbundprojekt „Inspirat - Entwicklung eines bionisch inspirierten Kletterroboters für die externe Inspektion linearer Strukturen“ (2006-2011)

FESTO AG Bionic Learning Network „AirArm – pneumatische 4-Achs-Kinematik mit inhärenter Nachgiebigkeit“

DARPA „Biologically-based network controller for dynamic legged locomotion“ (2010-2012)

DFG Verbundprojekt „Technische, nicht-visuelle Charakterisierung von Substratkontakten nach dem biologischen Vorbild carpaler Vibrissen“

Ausgewählte Publikationen:

Hunde in Bewegung

Hunderassen sind ein geeignetes Modellsystem, um die unmittelbaren Auswirkungen der Variation von Strukturen – erzeugt durch künstliche Zuchtwahl – auf deren Funktionsweise zu erforschen. Im Rahmen der Jenaer Hundestudie, gefördert von der Gesellschaft für Kynologische Forschung (GKF), der DFG, den Zuchtverbänden und dem Verband für das deutsche Hundewesen (VDH) wurde die Fortbewegung von 32 Hunderassen mit der Frage nach dem Einfluss der Körpergröße und der augenscheinlich verschiedenen Körperproportionen auf die Bewegungsweise der Gliedmaßen untersucht. In Anbetracht der Erwartung großer Unterschiede war die Einheitlichkeit der Beingeometrie in einem Größenspektrum von 2 kg bis über 70 kg verblüffend. Möglichkeit zur Veränderung innerhalb der Art scheint zwar für die Körpergröße gegeben, doch die Proportionen, die wiederum die Kinematik der Beine bestimmen, sind nur durch die Veränderung des Wachstumsprogrammes veränderbar. Aber selbst kurzbeinige Rassen weichen nicht vom Bewegungsmuster der anderen Hunde ab.
In einer grundlegenden Studie zu Rückenbewegungen wurden erstmals detailliert der Umfang und die Lokalistation von Bewegungen in der Lumbalwirbelsäule während symmetrischer Gangarten untersucht. Darauf aufbauend kam es zu einem großen Kooperationsprojekt, in dem 250 Hunde in den nächsten Jahren in Zusammenarbeit mit Tiermedizinern aus Gießen und Bern untersucht werden. In der 2014 begonnenen „HEEL-Studie zur Gelenkdynamik von Hunden“ werden erstmals die dreidimensionale Kinematik der Gliedmaßen und eine inverse Dynamik der Vorder- und Hintergliedmaßen ermittelt und berechnet.

Verbundprojekte und Kooperationen:

HEEL „Studie zur Gelenkdynamik von Hunden“:

AOVET “3-Dimensional In-vivo Biomechanics of the Canine Occipitoatlantoaxial, Thoracic and Lumbosacral Spine”

Ausgewählte Publikationen:

Diagnostisches Potenzial der Bewegungsanalyse

Auch Tiermodelle der medizinischen Grundlagenforschung, Ratten und Mäuse, liefern Einsichten in die innerartliche Veränderbarkeit von Bewegungsfunktionen. Experimentell induzierte Störungen, wie beispielsweise ein Schlaganfall im motorischen Cortex, eine Gelenkerkrankung oder ein veränderter Genotyp ermöglichen die Erforschung der physiologischen und funktionellen Plastizität im Individuum. Gleichzeitig liefert eine detaillierte Bewegungsanalyse eine Fülle von messbaren Parametern, die für die Differenzierung von pharmakologischen Wirkungen auf ein bestimmtes Krankheitsbild oder für die Charakterisierung des Phänotyps transgener Tiere verwendet werden können.

Verbundprojekte und Kooperationen:

Reichen und Greifen nach Läsionen im sensomotorischen Cortex der Ratte

Diagnostisches Potenzial der Bewegungsanalyse bei schmerzhaften Gelenkerkrankungen

Charakterisierung der Phänotyps transgener Mäuse

Ausgewählte Publikationen:

Idiomotion der Säugetiere

Lokomotion nimmt zumeist nur einen geringen Teil der Tagesaktivität von Säugetieren ein, dominierend ist die Idiomotion, das Repertoire von Bewegungsweisen, die auf das Tier selbst oder auf Artgenossen gerichtet sind. Idiomotorische Bewegungen spielen im Komfortverhalten eine große Rolle. Putzen und Kratzen verschiedener Körperregionen stellen Ansprüche, die von der Lokomotion nicht ausgehen, und die Beweglichkeit vieler Gelenke scheint durch Anpassungen an die Fellpflege oder andere idiomotorische Aktivitäten stärker geprägt. Noch sind nur wenige Arten im Hinblick auf die Kinematik ihrer idiomotorischen Bewegungen untersucht, allgemeine Prinzipien können daher noch nicht identifiziert werden.

Bipede Fortbewegung der Vögel

Durch den Vergleich von 7 Arten (Corvus monedula, Coturnix coturnix, Eudromia elegans, Gallus gallus, Haematopus ostralegus, Recurvirostra avosetta, Vanellus vanellus) wurden auch in der Laufbewegung der Vögel gemeinsame Bewegungsprinzipien im Hinblick auf die Geometrie der Beine und die Biomechanik identifiziert. So gibt es bei Vögeln wie auch bei quadrupeden Säugetieren – aber im Unterschied zum Zweibeiner Mensch – keine klare Trennung zwischen Pendelmechanik und Feder-Masse-Mechanik in der Führung des Körperschwerpunktes, wobei die Feder-Masse-Mechanik bei allen Laufgeschwindigkeiten dominiert. Eine Besonderheit der Vögel ist jedoch eine ausgeprägtere Rollenverteilung zwischen den Gelenken eines Beines. Vor allem das Intertarsalgelenk beeinflusst durch seine Steifigkeit die Eigenschaften des gesamten Beines und seine Wirkung auf den Rumpf. Hierin gleich die Mechanik eher dem menschlichen Bein, in dem ebenfalls die lokalen Steifigkeiten unterschiedlich sein können. Ein anderer Aspekt der Studie betrachtet den Einfluss der Körpergröße auf die innerartliche Variation der Bewegungsfunktionen bei verschiedenen Hühnerrassen.
Ein weiteres Anliegen dieses Projektes besteht in der Entwicklung von Methoden der automatisierten Auswertung röntgenvideographischer Aufnahmen. Erstmals konnte eine enorm große Menge Bildmaterial (7749 Schritte und damit 1.267.320 Einzelbilder) vollständig analysiert werden, womit die bisweilen subjektive Auswahl der „besten“ Bewegungssequenzen entfällt. Auch die Möglichkeit der automatisierten Auswahl wird zunehmend dem Spektrum der Variation größere Aufmerksamkeit zukommen lassen.

Verbundprojekte und Kooperationen:

DFG-Verbundprojekt „Lokomotion der Vögel“ (seit 2009)

Ausgewählte Publikationen:

Rekonstruktion der Lokomotion fossiler Landwirbeltiere

Vergleichende Studien der Fortbewegung heutiger Arten können die Rekonstruktion der Bewegungsweise längst ausgestorbener Tiere unterstützen. Ein solches Vorhaben wurde gemeinsam mit dem Museum der Natur in Gotha umgesetzt, wo die berühmten „Ursaurier“ der Tambach-Formation, Stammgruppenvertreter der Amniota, wissenschaftlich untersucht wurden. Einzigartig an diesen Funden ist die gleichzeitige Erhaltung nahezu vollständiger Skelette und Fußspuren dieser Art. Gefördert von der Volkswagenstiftung wurden verschiedene Echsen, Salamander und sogar Alligatoren untersucht, um diejenigen Bewegungsweisen zu finden, welche die fossilen Spuren am besten erklären können.

Verbundprojekte und Kooperationen:

„Functional morphology of stem group amniotes“ (seit 2012), gefördert durch die VW-Stiftung

Ausgewählte Publikationen:

Nahrungsaufnahme und Mastikation

Dieser Schwerpunkt widmet sich der Evolution des Kopfes, insbesondere des Kieferapparates und des Gebisses. Am Modell der Hunderassen wird untersucht, wie die Bewegungen des Kiefers und die Kaukräfte Einfluss auf die Form der Zähne, den Zahnhalteapparat, die Kaumuskulatur und Gestalt des Schädels nehmen.
Ein anderes Projekt erforscht die Nahrungsaufnahme bei Schwanzlurchen im Wasser und an Land, um aus einem Analogievergleich Rückschlüsse auf die Evolution der Nahrungsaufnahme bei den ersten Landwirbeltieren zu ziehen.

Verbundprojekte und Kooperationen:

Ausgewählte Publikationen:

Projekte anderer Institutionen

Auswärtige Forschergruppen nutzen regelmäßig die Möglichkeiten der hochauflösenden Röntgenvideographie in Jena im Rahmen ihrer eigenen Projekte, beispielsweise um die Lauterzeugung bei Singvögeln oder die Kopf- und Halsrotationen bei Schleiereulen zu beobachten. Die Speibewegungen von Kobras wurden röntgenvideographisch untersucht, ein Biber wurde beim Nagen gefilmt. Von großem Nutzen ist die Technik auch für die Erprobung neuer Operationstechniken im Tiermodell.

Gastwissenschaftlerinnen und Gastwissenschaftler:

Gastwissenschaftlerinnen und Gastwissenschaftler: