Anzahl der Beine bestimmt Dynamik und Energetik der Fortbewegung

(06.09.2018) Kölner Zoologe entwickelt Modell zur Lokomotion bei Tieren und robotischen Systemen mit unterschiedlich vielen Beinpaaren

Eine aktuelle Studie des Zoologen Dr. Tom Weihmann vom Institut für Tierphysiologie der Universität zu Köln legt nahe, dass die Anzahl der Beinpaare eines Lebewesens entscheidenden Einfluss auf dessen Energiehaushalt hat.

Die Bewegungsdynamik hängt bei Tieren und Robotern von der Anzahl der Beine ab; Bildquelle: Tom Weihmann
Die Bewegungsdynamik hängt bei Tieren und Robotern von der Anzahl der Beine ab
Weihmann hatte die Bewegungsmechanik von beinangetriebenen Tieren wie Säugetieren, Insekten, Spinnen oder Tausendfüßern in Abhängigkeit von der Anzahl ihrer Beinpaare mathematisch modelliert. Die Studie „Leg force interference in poly-pedal locomotion“ ist jetzt in Science Advances erschienen.

Um sich energetisch möglichst effizient fortzubewegen, nutzen viele Tiere Strategien zur Rückgewinnung von Bewegungsenergie. Dabei wird ein Teil der Energie zum Beispiel in elastischen Strukturen zwischengespeichert und später wiederverwendet.

Derartige Mechanismen werden typischerweise beim zweibeinigen Rennen oder in vierbeinigen Gangarten wie dem Trab genutzt. Sie sind durch rhythmische Auf- und Ab-Bewegungen des Körpers gekennzeichnet.

Diese energieeffizienten Koordinationsmuster wurden bereits bei der Entwicklung einer ganzen Reihe zwei- und mehrbeiniger experimenteller Roboter genutzt.

Die Auswirkungen unterschiedlicher Beinzahlen auf den Energiehaushalt wurden jedoch erstmalig in der nun vorliegenden Studie untersucht.

In seiner Studie zeigt Weihmann, dass eine größere Zahl an Beinpaaren die Energierückgewinnung zunehmend behindert, weil sie eine deutlich stärkere zeitliche Synchronisation der Beine erfordert.

Weihmann erklärt: „Meine Ergebnisse deuten darauf hin, dass kleine zeitliche Verschiebungen in den Beinkoordinationsmustern die Dynamik in Bewegungsapparaten von Tieren mit vielen Beinen wesentlich stärker beeinflussen als bei Lebewesen mit wenigen Beinen.“

Mehr Beine verhindern demnach rhythmische Schwingungen des Körpers und die effiziente Rückgewinnung von Bewegungsenergie. Entsprechend sind derartige energieeffiziente Bewegungsmuster nur bei Tieren mit wenigen Laufbeinpaaren zu beobachten. „Die neuen Erkenntnisse liefern ein starkes Gerüst für eine Fülle neuer neuro-mechanischer Modellierungsansätze, was zu verbesserten Kontrollmechanismen schnell laufender vielbeiniger Roboter beitragen kann“, sagt Weihmann.

Zudem könnten die aufgedeckten Mechanismen auch ein wichtiger Grund sein, wieso schnell laufende Reptilien von vier- zu zweibeiniger Lokomotion wechseln.

Weihmann: „Möglicherweise kann der Mechanismus auch zur Klärung der Evolution zweibeiniger Dinosaurier aus vierfüßigen Vorfahren beitragen, die schließlich zum Artenreichtum unserer heutigen Vogelwelt geführt hat. Darüber hinaus könnte das Modell sogar helfen, den zweibeinigen menschlichen Gang zu erklären.“



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