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Möchte man die beiden Betrachtungsweisen jedoch zusammenführen, kommt es zu einem so genannten Mehrskalenproblem, dem die SimTech-Forscher den sinnreichen Namen „Homunkulus“ gegeben haben: Das bedeutet, dass je nach Detailgrad der Betrachtung und Fragestellung die passenden Modelle des Menschen und Simulationsmethoden eingesetzt werden müssen. So zeigt die makroskalische Betrachtung zwar die Gesamtabläufe, lässt aber zum Beispiel anatomische Veränderungen innerhalb eines Wirbels außer Acht.

Mikroskalische Betrachtungen dagegen liefern zwar genaue Ergebnisse für einen Detailbereich. Würde man sie aber auf den gesamten Rumpf anwenden, wäre zum einen der Rechenaufwand immens. Zum zweiten würde eine solche Berechnung die Realität unvollständig abbilden, da viele externe Einflussgrößen wie zum Beispiel aktive Muskelkräfte derzeit vernachlässigt bleiben.
„Keine der bisher veröffentlichen Studien an der lumbalen Wirbelsäule berücksichtigt, welche Muskelkräfte konkret bei einer bestimmten Haltung wirken und wie sich diese verändern, wenn der Mensch zum Beispiel einen Stoß bekommt oder auch nur wackelt“, erläutert Gruppenleiter Dr. Syn Schmitt vom InSpo dieses Forschungsdefizit. Deshalb wollen die Stuttgarter Wissenschaftler eine aktive Bewegungsansteuerung und -kontrolle in das Modell integrieren. Hierzu bedienen sie sich des Forschungskonzepts von SimTech, dessen Skalenniveau zwischen der Grobskala „Mensch als Volumenmodell“ und der feineren Skala „Detailliertes Strukturmodell“ liegt. Es beantwortet zunächst die Fragen der Grobskala, behält dabei jedoch von Anfang an die Fragen der Detailskala im Auge.
Um dem Mensch-Modell Bewegung „beizubringen“, wird die Wirbelsäule als dreidimensionales Mehrkörpermodell erstellt, bei dem die Wirbelkörper als homogene Zylinder und die Bandscheiben als komplexe Kraftelemente aufgebaut sind. Als Muskelmodell dient das in Mehrkörpersimulationen häufig verwendete und von Syn Schmitt im Rahmen seiner Dissertation modifizierte Hill’sche Muskelmodell.
In einem zweiten Schritt sollen die Muskel-Sehnen-Komplexe gezielt angesteuert werden. Hierzu werden zunächst die Freiheitsgrade des Bandscheibenelements eingeschränkt, so dass nur noch eine Bewegung entlang der Sagittalebene (vom Kopf zum Becken und vom Rücken zum Bauch) möglich ist. Dies vereinfacht die Formulierung eines Bewegungsalgorithmus. Die so gewonnen Parametersätze für eine statische Pose sowie für Beugungen nach vorne und hinten fließen als Startwerte in die dreidimensionale Simulation ein. Schließlich werden die Einschränkungen der Freiheitsgrade aufgelöst und die Parametersätze verfeinert. Nach der Validierung der Algorithmen wollen die Wissenschaftler berechnen, wie die inneren Strukturen des Wirbelsäulenkomplexes durch Alltagslasten, in Unfallsituationen oder beispielsweise durch Vibrationen am Arbeitsplatz beansprucht werden. Dieses Verständnis soll helfen, Rückenbeschwerden wirksamer vorzubeugen und zu therapieren oder, falls sich bereits irreparable Schäden eingestellt haben, geeignete Bandscheibenimplantate zu entwickeln.

Vereinfachte Darstellung des Wirbelsäulenmodells. Abgebildet sind die Wirbelkörper der Lenden- und Brustwirbelsäule, dazwischen die komplexen Kraftelemente und am hinteren Ende der Wirbelkörper die vereinfachten Facettengelenke, die Rückwärtsbewegung und Verdrehung einschränken.
(Grafiken: Institut)

Natur als Vorbild
Auch für den Bau künstlicher Muskeln, wie sie zum Beispiel für medizinische Prothesen oder auch bei humanoiden Robotern gebraucht werden, eröffnet das numerische Mensch-Modell neue Perspektiven. Die biomechanischen Grundlagen zur Funktionsweise natürlicher Muskeln werden bereits seit etwa 80 Jahren erforscht; und dank moderner Experimentalmethoden gibt es inzwischen auch sehr präzise mikroskopische Muskelmodelle. Um die Funktionsweise und das Design des Muskel-Sehne-Komplexes zu verstehen, sind jedoch makroskopische Modelle mit ihrem höheren Abstraktionsgrad besser geeignet, da für den Bau eines künstlichen Muskels eine möglichst einfache technisch-mechanische Unterstützung wünschenswert ist. Die Stuttgarter Forschergruppe möchte nun die Erkenntnisse der makroskopischen Muskelmodellierung mit theoretischen Überlegungen über einen künstlichen Aktuator, wie er zum Beispiel bei einem Greifarm eingesetzt wird, zusammenführen und weiterentwickeln.

Schaltplan der Elemente für einen Hillschen Ansatz zur Beschreibung der Muskelcharakteristik.