Interaktion mit technischen Systemen

Die Menschheit hat immer versucht, mechanische Prinzipien und Modelle auf biologische Systeme im Allgemeinen und auf die menschliche Bewegung im Besonderen anzuwenden. Moderne analytische Methoden zur Beschreibung komplexer dreidimensionaler Bewegungen und fortschrittliche numerische Werkzeuge, die auf dem Gebiet der Mehrkörperdynamik entwickelt wurden, ermöglichen es uns, das Zusammenspiel von biologischen und technischen Systemen zu modellieren, zu simulieren und zu analysieren.

Anwendungen in der Prothetik

Die wachsende Zahl älterer Menschen und der Wunsch dieser Gruppe, körperliche Fitness und Mobilität so lange wie möglich zu erhalten, führen zu neuen Herausforderungen in der Biomechanik. Degenerative Prozesse, eine Krankheit oder ein Unfall können die Mobilität eines Individuums beeinträchtigen. Eine Extremsituation ist in diesem Fall der teilweise oder vollständige Verlust einer Extremität, obwohl es moderne Prothesen gibt, die mechatronische Komponenten verwenden, um zumindest rudimentäre Funktionen der verlorenen Extremität wiederherzustellen. Um solche Systeme zu entwickeln und zu verbessern, ist es notwendig, grundlegende Kenntnisse und ein Verständnis der mechanischen Struktur und Funktion des biologischen Systems zu haben.

Basierend auf menschlichen Gangdaten können verschiedene Konzepte von Kontrollalgorithmen, die in Beinprothesen verwendet werden, von Computern getestet und simuliert werden. Diese virtuellen Tests helfen, kritische Situationen zu erkennen, die in einem realen Szenario ein Risiko für den Patienten darstellen könnten. Sie ermöglichen es auch, interne Systemparameter zu berechnen, die experimentell schwer zu erhalten sein könnten. Darüber hinaus können Optimierungsstrategien angewendet werden.

Anwendung in der Fahrzeugsicherheit

In den letzten Jahrzehnten konnten verkehrsbedingte Todesfälle und Verletzungen durch verschiedene Maßnahmen drastisch reduziert werden. Viele Verletzungsmechanismen sind jedoch noch nicht vollständig verstanden. Dennoch lässt das breite Spektrum an Unfallszenarien ein Feld für weitere Verbesserungen und Neuentwicklungen für die Insassensicherheit in unterschiedlichen Verkehrsmitteln offen. Obwohl die experimentelle Forschung nach wie vor eine wichtige Wissensquelle ist, sind numerische Simulationen zu einem integralen Bestandteil der Analyse verschiedener Unfallszenarien und der Optimierung neuer Entwicklungen geworden.

Um Verletzungsrisiken in einem frühen Stadium der Entwicklungssimulationen zu bewerten, können numerische Dummy-Modelle nicht nur für Autos, sondern auch für Schienenfahrzeuge und U-Bahnen eingesetzt werden. In Ermangelung eines regulatorischen Rahmens kann das Wissen über verschiedene Verletzungskriterien genutzt werden, um den Einfluss verschiedener Designparameter zu untersuchen.

In jüngster Zeit sind detailliertere menschliche Simulationsmodelle verfügbar. Diese Modelle umfassen anatomische Darstellungen aufgrund vieler gesetzlicher Vorschriften realistischer als Dummies. Diese Simulationen zeigen zum Beispiel, dass Dummys die essentielle geometrische Biofidelität im Thoraxbereich vermissen. Infolgedessen spiegeln sich die Sicherheitsvorteile neuer Entwicklungen möglicherweise nicht in den üblichen regulatorischen Testverfahren wider.

Abbildungen: Diplomarbeit Laura Dietzel, 2015

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