Muskelmodellierung

Mathematische Muskelmodellierung

Anlaufbewegung - Körper MuskeldarstellungWährend die meisten biologischen Gewebe, wie Knochen, Bänder oder Knorpel entweder ihre Form behalten bzw. auf mechanischen Druck hin verformt werden, sind Muskeln aktiv in der Lage, ihre Länge durch Kontraktion zu verändern.

Durch neuronale Stimulation können einzelne Muskeln oder ganze Gruppen angesteuert werden um gewünschte Bewegungen eines Teil- oder Ganzkörpermodelles herbei zu führen.

Anschaulich zusammengefasst läuft dieser Prozess nach folgendem Schema ab:

Mechanismus der Muskelkontraktion

 

  1. Das zentrale Nervensystem sendet einen elektrischen (neuralen) Impuls zur Muskeloberfläche
  2. Durch elektro–chemische Kopplung wird Calcium in die Muskelzellen gepumpt
  3. Das Calcium lagert sich an den Aktinfilamenten an
  4. Die Myosinfilamente bilden daraufhin mit ihren Myosinköpfchen Querbrücken zu den Aktinfilamenten 
  5. Durch Umklappen der Köpfchen werden die Aktinfilamente herangezogen und bewirken somit eine Längenänderung (Verkürzung) der Muskelfaser
  6. Die entstehende kontraktile Muskelkraft wird über seriell geschaltete Sehnen an die adjazenten Knochen übertragen

Durch kinematische Randbedingungen ergibt sich so eine Bewegung. Der Prozess von neuralem Impuls bis zur Filamentkopplung (Querbrückenbindung) wird mit Aktivierungsdynamik bezeichnet, der Prozess der Längenänderung als Kontraktionsdynamik.

 

Muskelmodell

Muskelmodell Grafik

MTC:

 

Muskel-Sehnen-Komplex umfasst: 

(Muscle-Tendon-Complex)

CE:

 

Kontraktiles Element

(Muskelfasern mit aktiver Kraftentwicklung)

PEE:

 

Parallelelastisches Element 

(Muskelfasern einhüllendes Bindegewebe)

SEE:

SDE:

Seriellelastisches Element inklusive 

seriellem Dämpfungselement (Sehne)

Differentialgleichung zum Aufbau der freien Ca++ Ionenkonzentration

Aufbau Aktivierungsdynamik Gleichung

Es gilt das Kräftegleichgewicht:

Kräftegleichgewicht

 

Unsere Gruppe befasst sich auf theoretischer Seite mit der Untersuchung, bzw. Erweiterung bestehender mathematischer Muskelmodelle. Auf der praktischen Seite werden diese Modelle in Teil- oder Ganzkörpermodelle integriert, um eine Bewegungserzeugung auf physiologischer Basis zu induzieren.

 

Bewegungsmodell des Oberarms mit Muskelkraftelement des M. biceps brachii

6 Column Layout

Startstellung
Startstellung

Zwischenstellung
Zwischenstellung

Endstellung
Endstellung

Bewegungssimulation
Bewegungssimulation


Projektpartner

3 Column Layout