Ingenieure modellieren Muskelkontraktion

Wenn der Computer die Muskeln spielen lässt

RUBIN 1/06: Mit einem Trick in die dritte Dimension

Verschleiß im Alter, Nerven- und Muskelkrankheiten oder Lähmungen nach Unfällen können der Grund dafür sein, dass unsere Skelettmuskeln nicht mehr richtig funktionieren. Der Traum vom künstlichen Muskelersatz liegt nahe – seine Verwirklichung ist noch fern. Auf dem Weg dahin ist es wichtig, die normale Funktion des Muskels zu verstehen, um zu wissen, welche Kraft ein künstlicher Muskel haben müsste, um einen natürlichen Bewegungsablauf zu ermöglichen, wo wann welche Reize eingehen müssten. Um das zu erforschen, haben Maschinenbauer um Prof. Dr. Stefanie Reese ein virtuelles Muskelmodell entwickelt, das das natürliche Verhalten eines Skelettmuskels unter verschiedenen Bedingungen darstellen kann. Über ihre Studien berichten sie in der aktuellen Ausgabe von RUBIN, dem Wissenschaftsmagazin der Ruhr-Universität.

Passive und aktive Kraft wirken zusammen

Verschiedene Parameter bestimmen die Kraft, die ein Skelettmuskel maximal ausüben kann: Die Dicke der Muskelzellen (physiologischer Aspekt), die Häufigkeit der über den versorgenden Nerv eingehenden elektrischen Reize (neurologischer Aspekt) und die Anzahl der durch einen Reiz zur Kontraktion angeregten Muskelfaserbündel (morphologischer Aspekt). Diese Informationen muss der Benutzer der Muskelsimulation in den Computer eingeben. Bei der Modellierung eines Muskels spielen aber noch viele weitere Faktoren eine Rolle: So mussten die Forscher z.B. berücksichtigen, dass die Kraft des Muskels nicht nur aus der aktiv durch Kontraktion von Muskelzellen ausgeübten Kraft besteht, sondern mit der passiven Kraft zusammenwirkt, die in der Zähigkeit der Fasern liegt. Auch sind die Muskelfasern eingebettet in Gewebe anderer Art, das wiederum bestimmte Eigenschaften hat, die sich auf das Gesamtgebilde auswirken.

Zuverlässige Abbildung des Muskelverhaltens

Für ihre Modellierung machten sich die Ingenieure unter anderem das Wissen zunutze, das sie über die Materialeigenschaften von Gummi besaßen. Es verhält sich in gewissem Maße ähnlich wie biologisches Gewebe. Durch einen Kunstgriff gelang es außerdem, aus den eindimensionalen Daten aus Physiologie und Biologie ein dreidimensionales Muskelmodell zu erzeugen, das mit wesentlich geringerem Aufwand das gesamte Verhalten eines Muskels zuverlässig abbildet.

Weitere Themen in RUBIN 1/06

In RUBIN 1/06 finden Sie außerdem folgende Themen: Die Silbermann-Orgel in der Dresdener Hofkirche nach der Restaurierung: Wie nahe sind wir dem Klang von 1755?; Strukturwandel und Frauenarbeit im Ruhrgebiet: Geschlechterrollen wirken lange nach; Koppelgeschäfte stärken EU-Kompetenz: Wer regiert Europa?; Neues OP-Verfahren bei Halswirbelsäulenerkrankungen: Befreiung durchs Schlüsselloch; Cochlea-Implantat-Forschung: Hören, wenn das Ohr nicht funktioniert; Dicht und steril im Doppelpack: Plasma-Sterilisation von PET-Flaschen; Suche nach dem chemischen Ursprung des Lebens: Moleküle, die sich selbst vermehren; Editorial (Prorektor Prof. Elmar W. Weiler): Zur Exzellenzinitiative. RUBIN ist in der Pressestelle der Ruhr-Universität (Tel. 0234/32-22830) zum Preis von 2,50 Euro erhältlich und steht im Internet unter: http://www.rub.de/rubin.

Weitere Informationen

Prof. Dr. Stefanie Reese, Technische Universität Braunschweig, Institut für Allgemeine Mechanik und Festigkeitslehre, Schleinitzstr. 20, 38106 Braunschweig, Tel. 0531/391-7050, Fax: 0531/391-7053, E-Mail: s.reese@tu-bs.de