Vision: Prothetik nach Straußenvorbild

Foto: Nina Schaller
Nina Schaller weiß: Auch Strauße wollen manchmal geknuddelt werden (Foto: Gisela Löffler)

„Der Strauß und der Mensch sind sich in einiger Hinsicht sehr ähnlich“, behauptet die Wissenschaftlerin Nina Schaller. Wie und was das für die Prothetik bedeuten könnte, haben wir für Sie zusammengefasst.

„Der Strauß und der Mensch sind sich in einiger Hinsicht sehr ähnlich“, behauptet die Wissenschaftlerin Nina Schaller.  Wie und was das für die Prothetik bedeuten  könnte, haben wir für Sie zusammengefasst.

Der Strauß steht, geht und läuft auf zwei Beinen. Der Mensch auch. Der Vogel hat eine Scheitelhöhe von gut zwei Metern. Somit ist er nur etwas größer als ein durchschnittlicher Mensch. Und das Federtier wiegt auch in etwa soviel wie ein Mensch.

Allerdings gibt es einen wesentlichen Unterschied zwischen Mensch und Strauß: Spitzensportler bewältigen in eineinhalb Stunden eine Strecke von dreißig Kilometern. Der Strauß schafft das in einem Drittel der Zeit. Ein Faktum, das sich die Beinprothetik zu Nutze machen kann.

Prothesen à la Strauß

Das Tier erreicht Höchstgeschwindigkeiten von bis zu siebzig Stundenkilometern und hängt dabei sogar seine fliegenden Kollegen ab. Kein anderes Tier läuft so ausdauernd wie der Strauß.

Dieser Gedanke ging Nina Schaller nicht aus dem Kopf. Deshalb wollte sie herausfinden: Wie macht das der Strauß? Durch morphologische und biomechanische Untersuchungen des Bewegungsapparats und der Laufmechanik konnte Schaller strukturelle Strategien identifizieren, die diese hocheffiziente Form zweibeiniger Fortbewegung erklären. Allen Straußen-Laufweltmeister-Geheimnissen ist sie dabei noch nicht auf die Schliche gekommen, aber wesentliche Ergebnisse liegen bereits vor.

Erkenntnisse, die vor allem in der Prothetik Anwendung finden könnten. Für Menschen mit Amputation könnte diese eine wesentliche Steigerung der Lebensqualität bedeuten.

Nina Schaller schwebt dabei keine Sprinterprothese vor, sondern eine Beinprothese, mit der es möglich ist, sowohl zu gehen als auch zu laufen. „Wenn man sich die Technik des Straußes abschaut, könnten diese zwei Prothesen vielleicht auf eine reduziert werden“, sagt Schaller.

Wie genau so eine Prothese aussehen kann, ist bisher noch offen. Die Biologin hebt vor allem zwei Mechanismen aus ihrer Straußenforschung hervor, die in die Entwicklung einer derartigen Universalprothese einfließen könnten.

Die Verbindung von knöchernen Hebelarmen ermöglicht die kombinierte Beugung und Streckung aller Beingelenke. Dieses Prinzip kann bei der Entwicklung einer neuen Beinprothese sehr hilfreich sein (Abbildung: Nina Schaller)

Hampelmanneffekt für Prothesenforschung

Besonders wichtig ist das „Hampelmannprinzip“. „Beim Menschen wird jedes Beinsegment für sich bewegt. Der Strauß macht das mit einer Art Hampelmannprinzip energiesparender und effizienter“, erklärt die Wissenschaftlerin.

Streckt der Strauß das Knie, strecken sich automatisch alle anderen Gelenke und so das ganze Bein. Beugt er das Knie, ist es umgekehrt. Wie bei einem Hampelmann, bei dem das Ziehen an einer Schnur zu einer ganzen Bewegungskette führt, laufen beim Strauß Sehnen der Oberschenkelmuskeln über mehrere Gelenke und verbinden deren Bewegungen.
Durch diese effektive Verschaltung der Beinbewegung drosselt der Strauß seinen Energieverbrauch.

Der Knochenzapfen funktioniert während der Standbeinphase wie ein Sperrbolzen. Er hält das Bein passiv gestreckt. Für die Prothetik ist dieser Mechanismus vielleicht bald von wichtiger Bedeutung (Abbildung: Nina Schaller)

Zukunftsvision: Prothesen mit Einrastmechanismus

Ein weiterer wesentlicher Faktor für die energiesparende und ausdauernde Fortbewegung des Straußes ist die passive Gelenkstabilisierung.

Eine spezielle Anordnung der Seitenbänder erzeugt einen bisher unbekannten Effekt. Wollte Nina Schaller am leblosen Straußenbein den langen Mittelfußknochen bewegen, um das Fersengelenk zu beugen, musste sie erst einen Widerstand überwinden. Wenn sie den Knochen losließ, schnappte das Gelenk automatisch in die Strecklage zurück. Das Bein rastet ein.

Aus diesen Versuchen lässt sich der Schluss ableiten, dass spezielle Bänder die Beine des Straußes passiv aufrecht halten. Dadurch kann Muskelkraft gespart werden. Steht der Strauß aufrecht auf beiden Beinen, entlasten die Bänder die Beinmuskulatur zu etwa zwanzig Prozent. Daraus folgend werden sowohl die Muskelkraft als auch die Muskelmasse reduziert.

Ausgezeichnete Forschungsabeit

Für die herausragende Zusammenfassung ihrer Pionierarbeit am Strauß wurde Nina Schaller mit dem Klaus Tschira Preis für verständliche Wissenschaft ausgezeichnet. Auch die orthopädische Abteilung des Fraunhofer Instituts Stuttgart wurde auf Schallers Forschung aufmerksam. Dort untersucht man die mögliche Anwendung ihrer Doktorarbeitsergebnisse in der Prothetik.

Nina Schaller forscht weiter. In ihrem Postdoc-Projekt untersucht sie erstmals die aerodynamischen Eigenschaften der großen Straußenflügel während der Fortbewegung. „Die Flügel könnten für den Strauß ähnlich wichtig sein, wie die Arme für den Menschen. Bindet man dem Menschen zum Beispiel die Hände hinter dem Rücken zusammen, wird Rennen wesentlich anstrengender und Balancieren schwieriger.“

„Als ich mit der Erforschung des Straußes begann, habe ich überhaupt nicht an Prothesen gedacht“, erzählt die Wissenschaftlerin. Umso mehr freut es sie, dass die Erkenntnisse ihrer Grundlagenforschung in Zukunft vielleicht auch für den Menschen Anwendung finden.


Text: Michaela Hawlik - 07/2010

Fotos und Abbildungen: Nina Schaller, Gisela Löffler
 

Sie haben noch Fragen? Stellen Sie diese gleich hier im Forum!