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Ziel dieses gemein­samen Vorhabens von Jür­gen Men­nel externer Link, dem Höch­stleis­tungsrechen­zen­trum Suttgart (HLRS), der SICOS BW externer Link, dem Karl­sruher Insti­tut für Tech­nolo­gie (KIT) externer Link, dem Fraun­hofer Insti­tute for Med­ical Image Com­put­ing (MEVIS) externer Link, der SimTech Research Group on Con­tin­uum Bio­me­chan­ics and Mechanobi­ol­ogy (CBM) externer Link und dem Forschungszen­trum Jülich (FZJ) externer Link ist die Entwick­lung eines dynamis­chen, intel­li­gen­ten, selb­stler­nen­den, kreis­laufgeprägten Demon­stra­tionssys­tems, bei dem über­sichtlich und motivierend mate­ri­al­ef­fiziente und gesund­heits­be­zo­gene Vorgänge, Prozesse und Prinzip­ien des Kör­pers aufgezeigt wer­den. Den Aus­gangspunkt für die angestrebte Entwick­lung bildet die Idee, die langjährige Lauf– und Train­ingser­fahrung von Jür­gen Men­nel mit mod­er­nen Sim­u­la­tion­s­meth­o­den einer bre­it­eren All­ge­mein­heit zugänglich und erk­lährbar zu machen. Konkret geschieht dies durch die Kom­bi­na­tion eines Läufers auf einem Lauf­band und die direkt damit ver­bun­dene Darstel­lung der kör­per­in­tern ablaufenden Prozesse in einer 3D Vir­tual Real­ity Umgebung.

Anhand abges­timmter Lauftempi auf dem Lauf­band kön­nen die pos­i­tiv provozierten Vorgänge und Zusam­men­hänge in der Virtuellen Real­ität dargestellt, bee­in­flusst und analysiert wer­den. Basis für diese Darstel­lung ist die soge­nan­nte „Kör­per­runde“, welche den Sauer­stoff und Nährstoff­trans­port durch den Kör­per und die dadurch angeregten Prozesse illustriert.

Die Kör­per­runde wird zunächst in die unten ste­hen­den und in der Grafik ver­link­ten Abschnitte bzw. Sta­tio­nen unter­gliedert, die mit den wis­senschaftlichen Arbeits­ge­bi­eten der bisher beteiligten Beitra­gen­den in Verbindung stehen:

  1. Inspi­ra­tion (Einatmung)
  2. Sauer­stof­faus­tausch in der Lunge (O2 Luft → Blut)
  3. Blut­fluss ent­lang zu den Lun­gen­ve­nen→ linkes Herz→ Aorta,
  4. Blut­fluss weiter ent­lang des arteriellen Gefäßsys­tems zu den Muskeln
  5. Erzeu­gung von Muskel­be­we­gung durch elek­trische Reize und Umset­zung des vom Blut trans­portierten Sauerstoffs
  6. Umset­zung der Arbeit der Skelettmuskeln in Bewegung
  7. Blut­fluss zurück über die Venen hin zur oberen und unteren Hohl­vene → rechtes Herz → Lungenarterien
  8. Kohlen­diox­i­daus­tausch in der Lunge (CO2 Blut → Luft)
  9. Exspi­ra­tion (Ausatmung)
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Bitte wählen Sie eine Sta­tion der Kör­per­runde aus, um weit­ere Infor­ma­tio­nen zu erhalten.

Par­al­lel zum Lauf auf dem Lauf­band wer­den in der Virtuellen Real­ität die wichtig­sten Kör­per­prozesse in der Kör­per­runde vere­in­facht dargestellt, speziell im Hin­blick auf Mate­ri­al­ef­fizienz und Gesund­heit­saspekte. In diesem Sys­tem kön­nen prob­lem­los klas­sis­che Vital­pa­ra­me­ter vari­iert wer­den (Atemzug in diesem Inter­val­lzeitraum, Puls, usw.) und deren Auswirkung in der Virtuellen Real­ität deut­lich gemacht werden.

Von beson­derer Bedeu­tung ist, dass alle Darstel­lun­gen in der Virtuellen Real­ität auf Basis von fach­lich fundierten Sim­u­la­tio­nen berech­net wer­den. Das heißt, dass sie nach dem aktuellen Stand der Tech­nik mit den tat­säch­lichen Abläufen übere­in­stim­men. Als Basis dieser virtuellen Darstel­lungs– und Evaluierungsmeth­ode dienen die am HLRS, dem KIT, dem FZJ sowie der Uni-​Stuttgart durchge­führten bio­mech­anis­chen Sim­u­la­tio­nen. Aktuell wer­den die oben dargestell­ten The­men­bere­iche behan­delt, die den einzel­nen Sta­tio­nen der Kör­per­runde zuge­ord­net wer­den, diese illus­tri­eren und näher erläutern sowie demon­stri­eren welche Möglichkeiten fort­geschrit­tene numerische Sim­u­la­tion­s­meth­o­den im Bere­ich der Bio­mechanik eröffnen.

Dadurch ist die beschriebene Kör­per­runde mit ihrer Darstel­lung nicht nur ein optis­cher „Eye-​Catcher“ für den sport­in­ter­essierten Laien (dem sie damit einen span­nen­den Ein­blick bietet und das Inter­esse am weit­erge­hen­den Ver­ständ­nis weckt), son­dern bietet zusät­zlich auch einen guten Ein­stieg und eine gute Ori­en­tierung für die ver­schieden­sten Fach­ex­perten und deren Fachge­bi­ete wie Bionik, Medi­zin, oder Mate­ri­al­forschung (Stich­wort: neue lebendige Wissensplattform).

Cat­e­gory: Kör­per­runde

Auf­grund der Notwendigkeit die 2200km lange Dis­tanz Heil­bronn — Straßburg — Athen externer Link mit dem Start an der Exper­i­menta und Ziel dem Marathon­mu­seum, mit einer täglichen Durch­schnittskilo­me­ter­leis­tung von 100km zu bewälti­gen, wur­den dazu im Vorfeld

  1. neue Lauf­train­ingsmeth­o­den mit speziellen Atemtechniken,
  2. aufeinan­der abges­timmte tages– und nachtzeitliche Vital­ität­saspekte und
  3. darauf abges­timmte Regenerationsvarianten

entwick­elt und inten­siv erprobt. Diese auf­grund des Hochleis­tungss­ports entwick­el­ten und koor­dinierten Aspekte a. — c. bergen ein hohes Poten­zial und kön­nen in abge­wan­del­ter und richtig dosierter Form auf viele Vital­ität­saspekte und medi­zinis­che Auf­gaben­stel­lun­gen, unter dem Stich­wort “Heilkraft der Bewe­gung”, trans­feriert werden.

Cat­e­gory: Kör­per­runde

Inspi­ra­tion

OpenLB 1

Den Start der Kör­per­runde stellt der Einat­mung­sprozess mit dem Trans­port sauer­stof­fre­icher Atem­luft durch den Nasen– und Rachen­bere­ich hin zu den Lun­gen dar. Die Darstel­lun­gen und numerischen Unter­suchun­gen in diesem Bere­ich der Kör­per­runde basieren auf Arbeiten, die am KIT von M. Krause et al. durchge­führt wur­den [1,2]. Die wesentlichen Größen, die den Sauer­stoff­trans­port in die Lugen bee­in­flussen, sind:

  • Atem­fre­quenz
  • Atemzugvol­u­men
  • Vitalk­a­paz­ität
Cat­e­gory: Kör­per­runde

Strö­mung des sauer­stof­fre­ichen Blutes von der Lunge über das Herz und das Gefäßsys­tem zu den Muskeln.

Aorta Avatar

Über den Bronchial­baum und die Alve­olen gelangt der über die Atem­luft in den Kör­per trans­portierte Sauer­stoff schließlich über das Herz, d.h. den drit­ten Abschnitt zum vierten Abschnitt der Kör­per­runde, dem Weg des sauer­stof­fre­ichen Blutes durch die Arte­rien hin zu den Muskeln und Orga­nen. Die Strö­mungs­geschwindigkeiten und Druck­ver­hält­nisse in den arteriellen Bere­ichen das Gefäßsys­tems sind in Bezug auf die angestrebte Darstel­lung der Kör­per­runde von beson­derem Inter­esse, da sich aus ihnen der wesentliche Stoff­trans­port in und durch den Kör­per ableiten lässt. Basierend auf der Atem­fre­quenz, der Schlagfre­quenz des Herzens sowie dem Lun­gen– und dem Herzvol­u­men, kann die aktuelle Ver­sorgung des Kör­pers mit Sauer­stoff und Nährstof­fen dargestellt wer­den. Durch die Vari­a­tion der erwäh­n­ten Para­me­ter kann des Weit­eren die pos­i­tive Wirkung des Aus­dauer­sports auf die Vital­funk­tio­nen ver­an­schaulicht werden.

Cat­e­gory: Kör­per­runde

Muscle

Mod­el­lierung & Simulation

Die SimTech Research Group on Con­tin­uum Bio­me­chan­ics and Mechanobi­ol­ogy externer Link beschäftigt sich unter anderem mit der Mod­el­lierung und Sim­u­la­tion der Skelet­musku­latur wobei der Fokus auf der detail­lierten Mod­el­lierung der Mechanik einzel­ner Skelet­muskeln sowie musku­loskelet­taler Sys­teme liegt. Das wesentliche Ziel ist dabei die Unter­suchung der muskulären Funk­tion und der muskulären Kon­trollmech­a­nis­men um auf Basis des gewon­nen Ver­ständ­nis let­z­tendlich die auf Knochen und Gelenke wirk­enden dynamis­chen Las­ten ermit­teln zu können.

Ergonomie

Mit der Erweiterung des Rentenal­ters auf 67 müssen Arbeit­splätze zunehmend alter­sun­ab­hängig gestal­tet bzw. angepasst wer­den. Angesichts des zunehmenden Man­gels von Fachkräften steigt der Fokus auf den Erhalt der Gesund­heit jedes einzel­nen Mitar­beit­ers. Mit dem Ziel, gesund bis zum Rentenal­ter arbeiten zu kön­nen, wer­den am Fraunhofer-​Institut für Pro­duk­tion­stech­nik und Automa­tisierung IPA externer Link die immer wieder benötigten, neuen und indi­vidu­ellen Strate­gien zur Lösung von speziellen Prob­lem­stel­lun­gen entwickelt.

Cat­e­gory: Kör­per­runde

Entwick­lung kör­per­ge­tra­gener Produkte

Die Entwick­lung von kör­per­ge­tra­ge­nen Pro­duk­ten wie Prothe­sen, Orthe­sen aber auch kom­plexen Exoskelet­ten, wie sie am Fraunhofer-​Institut für Pro­duk­tion­stech­nik und Automa­tisierung (IPA) externer Link durchge­führt wird, erfordert ein umfassendes Ver­ständ­nis über die Bio­mechanik des Men­schen und seiner Indi­vid­u­al­ität. Für eine erfol­gre­iche Pro­duk­ten­twick­lung ist die Analyse der men­schlichen Bewe­gungsabläufe durch hoch tech­nol­o­gisch entwick­elte Sys­teme zur Erfas­sung und Über­prü­fung im Labor unumgänglich. Hier­für ist ein inter­diszi­plinäres Team mit Experten aus den Bere­ichen Maschi­nen­bau, Design, Medi­z­in­tech­nik, Phys­io­ther­a­pie und Sportwissenschaften notwendig.

Cat­e­gory: Kör­per­runde

In der Bionik dienen sowohl Tiere, Pflanzen als auch der Men­sch selbst als Mod­ell zur Entwick­lung von Pro­duk­ten, chirur­gis­chen Instru­menten oder Körper-​Ersatzteilen wie beispiel­sweise Implan­tate und Prothe­sen. Mod­elle von Tieren wur­den genau betra­chtet und dessen effiziente Prinzip­ien in neuar­tige Konzepte über­führt und getestet. Derzeit sind geschätzte 1,25 Mil­lio­nen lebende und 130.000 aus­gestor­bene Tier­arten bekannt. Hände, Füße und Mundw­erkzeuge sind Effek­toren, mit denen sie schnei­den, stechen, saugen oder greifen können.

Cat­e­gory: Kör­per­runde