Die menschliche Fortbewegung erfordert ein komplexes Zusammenspiel von mechanischen, sensorischen, neuronalen und motorischen Systemen der motorischen Kontrolle. Trotz dieser Komplexität, lassen sich zyklische Bewegungen wie Gehen und Laufen durch einfache mechanische Konzepte abbilden, die in biomechanischen Templatemodellen beschreiben werden. Diese Dissertation untersucht, wie die komplizierten Prozesse der motorischen Kontrolle simple Bewegungsmuster zur menschlichen Fortbewegung erzeugen. Dafür werden Mechanismen der motorischen Kontrolle untersucht, um die Lücke zwischen der komplexen Körpermorphologie und der niedrigdimensionalen Struktur der Fortbewegung zu schließen. Basierend auf vorheriger Forschung wird in dieser Arbeit die Hypothese aufgestellt, dass Netzwerke der motorischen und sensorischen Systeme strukturelle Lösungen liefern, die dazu beitragen können das motorische Kontrollproblem zu vereinfachen.

Drei Studien untersuchen die Rolle dieser Netzwerke in der Erzeugung elementarer Bewegungsmuster. Zwei Arbeiten evaluieren das motorische Netzwerk bei stationären Bewegungen und unvorhergesehenen Gleichgewichtsstörungen. Die dritte Studie untersucht Sensornetzwerke in dynamischen Sprungbewegungen.

Die erste Studie, eine Metaanalyse, führt die Forschung zur spezifischen Rolle von zweigelenkigen Muskeln in der Koordination mehrerer Segmente zusammen. Das Konzept der locomotor subfunctions hilft die Literatur aus Biomechanik, Biologie und Robotik zu kategorisieren. Templatemodelle deuten darauf hin, dass zweigelenkige Muskeln bei einer menschen-ähnlichen Beingeometrie in globalen Beinkoordinaten (Beinlänge und -ausrichtung) agieren, anstatt auf einzelne Gelenke zu wirken. Zweigelenkige Muskeln vereinfachen die Koordination des segmentierten Beins, erzeugen effizientere Bewegungen und regulieren den Drehimpuls der Segemente, wie Experimente zeigen. Viele dieser Prinzipien offenbaren Verbesserungspotentiale für die Anwendung in robotischen Systemen, jedoch werden diese Konzepte bis dato nur selten genutzt.

Während der Großteil der experimentellen Studien stationäre Bewegungen untersucht, befassen sich nur wenige Studien mit unvorhergesehenen Störungen, um zweigelenkige Muskeln zu erforschen. Um diese Lücke zu schließen, untersucht die zweite Studie dieser Arbeit die Reaktion zweigelenkiger Muskeln auf Störungen der Oberkörperbalance. Mit Hilfe eines neuen Systems werden starke und impulsartige Störungen der Oberkörperhaltung mit minimalen Auswirkungen auf die Schwerpunktdynamik erzeugt. Alle Probanden reagieren mit intensiven Reflexen in den zweigelenkigen Oberschenkelmuskeln, während eingelenkige Muskeln nur mäßige Reaktionen zeigen. Diese Studie liefert starke Belege für die wichtige Rolle von zweigelenkigen Oberschenkelmuskeln zur Kontrolle der Oberkörperhaltung.

Die letzte Studie untersucht die Funktion gemischter Reflexsignale zur Erzeugung von stationären Hüpfbewegungen. Ein neuromechanisches Simulationsmodell erzeugt signalspezifische Aktivierungsmuster, die zu unterschiedlich ausgeprägten Bewegungsformen in Bezug auf Leistung, Effizienz und Sicherheit führen. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass elementare Verschaltungen von Rezeptoren aufgabenrelevantes Verhalten hervorrufen können. Neuartige sensor-motor maps visualisieren den Lösungsraum der generierten Sprungmuster, um die Beiträge der verschiedenen Reflexsignale zur Erzeugung einer abdrückenden Beinfunktion zu bewerten. Diese Karten sind kompakt, einheitlich und konsistent in Bezug auf Änderungen der Körpermorphologie und -umgebung, was das Erlernen einer solchen Topologie stark vereinfacht.

Zusammenfassend untersucht diese Dissertation periphere Netzwerke der motorischen Kontrolle, nämlich Netzwerke von Muskeln und Mechanorezeptoren, und deren Funktion zur Vereinfachung der Kontrollaufgabe des neuronalen Systems. Der Hauptbeitrag dieser Arbeit ist die Identifizierung der unterstützenden Rolle solcher Netzwerke, die es dem neuronalen System ermöglichen, die grundlegende Templatedynamik der Fortbewegung auszunutzen. Diese Ergebnisse regt zukünftige Forschung durch menschlichen Experimente und robotische Demonstratoren an, um das hier vorgestellte konzeptionelle Verständnis zu validieren.