Ein generisches, datenbasiertes Modell der quadrupedalen Bewegung

In der Computergrafik wie auch in der Biomechanik ist Motion Capturing eine Standardtechnik geworden. Tierbewegungen wurden in unterschiedlichen Umgebungen aufgenommen und in biomechanischen Experimenten verwendet. Insbesondere erfährt die Wirbelsäulenbewegung im Moment besondere Aufmerksamkeit. Faktoren wie Krafttransfer von den Beinen in den Kopf und den Nacken, die die Bewegung beeinflussen, wurden noch nicht untersucht. Eine vergleichende Methode die unterschiedliche Wirbelsäulen untersucht, erlaubt komplexere und generellere theoretische Modelle zu erstellen. Diese bieten eine einheitliche Theorie der Mechanismen des Bewegungsapparates. Das langfristige Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist es, generische, datengetriebene und Biomechanik-basierte Methoden zu identifizieren die für die Aufnahme, Analyse und Synthese von Bewegungen vierbeiniger Säugetiere verwendet werden können. Die vielen Korrelationen und Schleifen in den Beziehungen dieser Aufgaben, sind von primärem Interesse im Bereich der Computergrafik, Biomechanik Forschung und Veterinärmedizin. Basierend auf der Hypothese, dass die Flexibilität der Wirbelsäule von essentieller Bedeutung für vierbeinige Bewegungen ist, wird die Entwicklung eines generischen vierbeinigen Bewegungsmodells das zentrale Ziel für das Gesamtprojekt sein. Die Untersuchung der gesamten Bewegung in Bezug auf Wirbelsäulenkrümmung und Flexibilität durch Modellierung kann die aktiven und passiven Beiträge der vierbeinigen Wirbelsäule quantifizieren. Die Veränderung von Parametern wie Krümmung und Flexibilität der Wirbelsäule wird daher Einfluss auf die Bewegungsmuster haben. Die Entwicklung eines solchen biomechanischen Modells ist notwendig, um die statische und dynamische Stabilität vollständig zu charakterisieren. Sobald diese grundlegende Beziehung zwischen spinaler Form und Funktion identifiziert wurde, können durch eine dynamische Simulation die Kräfte und Momente, die auf die Wirbelsäule in verschiedenen Formen im Schritt, Trab und Galopp wirken, quantifiziert werden. Eine relationale Datenbank wird angelegt, in der die im Rahmen des Projektes aufgenommenen Motion-Capture-Daten verschiedener Säugetier-Vierbeiner, die mit Hilfe von optischen Motion-Capture-Systemen, Beschleunigungssensoren und Video erfasst wurden, frei zur Verfügung gestellt werden. Die Genauigkeit der Modelle in der Darstellung der Reaktion auf die Kräfte bestimmt ihre Nützlichkeit für Anwendungen, wie die Reproduktion von Mechanismen, die mit einer bestimmten Reaktion verbunden sind. Die Optimierung solcher Systeme erfordert ein quantitatives Maß für die Genauigkeit. Daher werden Vergleiche der gemessenen Daten mit der Simulation der Bewegung unter Verwendung des in dieser Studie entwickelten generischen Modells, als auch mit alternativen Modellen durchgeführt. Schließlich ermöglicht dies eine Bewertung der Confidence, mit der eine bestimmte Genauigkeit unter definierten Bedingungen für das generische Modell erreicht werden kann.

Die gemeinsame Arbeit der Computer Science Gruppe in Bonn und der Biomechanik Gruppe in Wien hat zur erfolgreichen Etablierung eines neuen Systems zur Sammlung und Bearbeitung neuer und innovativ zusammengestellter Bewegungsdaten geführt. Die Zusammenarbeit hat weiters erfolgreich die Bewegung und das Gangmuster von Quadrupeden sowohl im Labor als auch außerhalb eines Laborsettings dokumentiert, um längerfristig mehr und mehr Daten aus typischen Umgebungen für die Tiere wie Ställe, Weiden etc. analysieren zu können. Das ist deswegen von Belang, weil sich Bewegungen und Gangarten in den unterschiedlichen Umgebungen durchaus unterscheiden, und im Endeffekt die natürlichen Bewegungen von größerem Interesse für weitere Fragestellungen und nicht zuletzt auch für Anwendungen sind. Neben den bereits gut etablierten Methoden wurden Inertial Sensoren zur dreidimensionalen Erfassung der Bewegung und, um sich längerfristig vom Einfluss des Equipments auf die Tiere aber auch vom Aufwand des Anbringens des Equipments an die Tiere zu lösen, auch Detailanalysen von Videoaufzeichnungen ausgewertet, was zusätzliche Informationen zu den Bewegungsdaten lieferte (wie z.B. Gesichtsausdrücke). Die sensor-basierte Erfassung von Muskelaktivitäten hat eine zusätzliche Ebene der Untersuchung der Bewegungsabläufe in Bezug z.B. auf Muskelkontrolle und Gleichgewicht ermöglicht. Unterschiede und Parallelen in den Bewegungsmustern der Quadrupeden wurden insbesondere mit Fokus auf die Rückenbewegung erforscht, und in Bezug zur Wirbelsäulenbeweglichkeit bzw. Bewegung gesetzt. Die individuellen Unterschiede, sowie die Unterschiede zwischen den Spezies (in unserem Fall von Schaf und Pferd) zeigten sich als wesentlich geringer als die Ähnlichkeiten in der Körperverwendung dieser beiden Vertreter der Huftiere. In Bezug auf die Entwicklung der am Projekt beteiligten Studierenden ist festzuhalten, dass diese an ein internationales und noch wichtiger transdisziplinäres Forschungsfeld herangeführt werden konnten, was mit Sicherheit auch in der Zukunft der Grundlagenwissenschaft von großer Bedeutung sein wird. Die erfolgreiche Überbrückung der Disziplinen spezifischen Unterschiede in der Herangehens- und auch Ausdrucksweise aber auch der Aufwand bis zu einem gemeinsamen Verständnis zu gelangen sind in diesem Projekt sehr gut illustriert worden, und es ist eindeutig, dass bereits die genaue Definition der Fragestellungen ohne die vereinte Bearbeitung durch Mitglieder der verschiedenen Wissenschaftsbereiche unmöglich gewesen wäre. Das Projekt führte so zum Entstehen einer starken, produktiven und kreativen Verbindung der zwei Wissenschaftsdisziplinen, der Computerwissenschaften und der Biomechanik; in Zukunft werden sich daraus zahlreiche weitere wissenschaftliche Projekte entwickeln, deren Chancen auf Erfolg sowohl bei Finanzierung im Rahmen von kompetitiven Einreichungen als auch bei der späteren Veröffentlichung als hoch eingeschätzt wird.