Kinematische Anpassungen zur Kollisionsreduktion im Schritt vierfüßiger Lauftiere

Abstract

In einer Reihe von Studien wurde seit 2002 das Verständnis der Mechanik des Gehens revolutioniert. Seitdem sind die Kollisionen der Standbeine mit dem Substrat, welche beim Umlenken des Körperschwerpunkts von der bogenförmigen Bewegung über ein Standbein auf den nächsten Kreisbogen auftreten, als energetischer Hauptkostenfaktor erkannt. Durch die vertikale Bewegungskomponente des Körperschwerpunkts kommt es zu Fluktuationen zwischen potentieller und kinetischer Energie, welche die kollisionsbedingten Energieverluste verstärken. Technische Tragevorrichtungen können die Energiefluktuationen durch vertikale Relativbewegungen von getragenen Teilmassen reduzieren und damit die metabolischen Kosten für einen gehenden Träger. Darüber, ob vierfüßige Tiere ähnliche Ausgleichsbewegungen nutzen, ist bisher nur wenig bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurden die Bewegungsabläufe verschiedener vierfüßiger Lauftiere in der Gangart, in welcher die größten Distanzen überwunden werden, auf eine mögliche kollisionsreduzierende Wirkung hin untersucht. Hierzu erfolgte eine video- kinematographische Vermessung (motion capturing) des Achsenskeletts von 19 Säugetierarten während der Fortbewegung im Schritt. In Kooperation mit der TU- Berlin wurden Computermodelle von Vierfüßern entwickelt, um die aus der kinematischen Analyse entwickelten Hypothesen prüfen und quantifizieren zu können. Es konnte eine Vielfalt von Relativbewegungen zwischen verschiedenen Körperteilmassen identifiziert werden, welche geeignet sind, die energetischen Fluktuationen und damit die kollisionsbedingten Energieverluste im Schritt der Vierfüßer zu reduzieren. Die Computersimulationen konnten die Wirksamkeit der Ausgleichsbewegungen bestätigen und errechneten bei kombinierter Anwendung eine Einsparung der Gesamtenergie von bis zu 26 %. Einige der vertikalen Relativbewegungen entsprechen denen, die auch in den technischen Tragehilfen Verwendung finden. Darüber hinaus nutzen die Tiere verschiedene Formen der longitudinalen Kraftübertragungen zwischen Körpermassen, welche in neuartigen Tragehilfen Energie einsparen und Gelenkbelastungen der Träger mindern könnten. Vierfüßern steht ein breites Spektrum an kinematischen Strategien zur Kollisionsreduktion zur Verfügung, wobei deren Anwendung durch den taxonspezifischen Körperbau der Tiere limitiert scheint. Die Kollisionsreduktion konnte als ein bestimmender Faktor der arttypischen Bewegungscharakteristika im Schritt der Säugetiere identifiziert werden, welche Merkmale erklärt wie z.B. den Rhythmus der Fußungen, die Form der Auf- und Abbewegungen des Rumpfes, die (bei Katzen so auffälligen) Bewegungen der Schulterblätter oder die rhythmische Kopfbewegungen der Pferde.

Since 2002, a series of studies revolutionized the understanding of the mechanics of walking. Since then, the collisions between the stance legs and the substrate that occur when the body centre of mass is transferred from the pendular arc around one stance leg unto the next arc, are known to cause the main energetic costs. Fluctuations of weight force and kinetic energy, caused by the vertical movement of the body centre of mass, lead to high energy losses during the collisions. Technical load carriage assisting devices are able to reduce the energy fluctuations by antiphasic vertical movements of mass compartments and therefore, reduce the metabolic costs of locomotion for a walking carrier. Very little is known about quadruped animals using similar equalizing movements. In this study, the movements of various quadrupedal cursorial mammals using the preferred long distance walking gait, are analysed with regard to their function of collision reduction. Therefore, the motion of the axial skeleton of 19 mammalian species were measured by video cinematopgraphy during locomotion in the walk. In cooperation with the TU- Berlin, computer models of quadrupeds where designed to test the hypotheses developed from the kinematic analysis and quantify the energetic effects. A variety of relative movements between different body parts were identified that are capable of minimizing energy fluctuations and therefore collisional energy losses in the mammalian walking gait. The computer simulations confirmed the effectiveness of the equalizing movements, and computed a reduction in energetic effort of up to 26 % by the combined appliance of these movements. Some vertical movements resemble the ones of the technical carriage assisting devices. Furthermore, cursorial quadrupeds use longitudinal force transmission between body parts, which could be implemented in new assisting devices that also reduce energetic effort and lower joint strain for the carrier. Quadrupeds have a large assortment of kinematic adaptions, in order to reduce collisional energy losses, whereas their application seems limited by taxon specific anatomy. The collision reductions could be identified as a factor that determines various kinematic features of the mammalian walking gait, including movements such as the footfall patterns, the vertical movement of the trunk, the motion of the scapulae (best known from cats), or the rhythmic head movements of horses.