Menschen halten ihre Muskeln oft für selbstverständlich. Sie nehmen eine Tasche, halten sie fest, gehen einen Hügel hinauf, halten eine Tasse Kaffee in der Hand und der Körper passt Kraft, Geschwindigkeit und Position stillschweigend an, ohne dass die Person überhaupt darüber nachdenkt.
Muskeln wandeln chemische Energie in Bewegung um. Es ist in der Lage, Kraft reibungslos und zuverlässig zu erzeugen, obwohl es aus einer Vielzahl winziger molekularer Komponenten besteht. Bei einem Belastungswechsel wackeln oder versagen die Muskeln nicht einfach. Sie passen sich an.
Aber wie dieser Muskel auf molekularer Ebene funktioniert, ist keine geklärte Frage. Unser Team an der Universität Bristol hat mit Kollegen ein physikalisches Modell mit gewöhnlichen Elektromotoren erstellt, um zu simulieren, wie Muskeln ihre Aufgaben erfüllen können.
Die in der Zeitschrift Interface der Royal Society veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass die Koordination, die wir in echten Muskeln sehen, möglicherweise einfach als Eigenschaft ihrer Konfiguration entsteht. Es ist nicht etwas, das Sie ständig planen und überwachen müssen. Die Erkenntnisse könnten sogar dazu beitragen, die Funktionsweise von Robotern zu verbessern.
Wenn wir uns dem Inneren eines Muskels näherten, würden wir Bündel immer kleinerer Strukturen vorfinden. Das Sarkomer ist die wichtigste krafterzeugende Einheit. Es besteht aus Proteinfilamenten, Aktin genannt, und molekularen Motoren, Myosin genannt. Zusammen bilden sie das ACTOMYOSIN-System.
Kleine Myosinmotoren greifen wiederholt nach den Aktinkabeln, ziehen sie und lassen sie los, um die Kontraktion der Muskelfasern zu unterstützen. Wenn Sie eine Tasse Tee in der Hand halten, müssen Tausende dieser Motoren zusammenarbeiten, um eine konstante Kraft zu erzeugen. Es gibt jedoch noch offene Fragen zu diesem System.
Abbildung zeigt die kleinste funktionelle Muskeleinheit: das Sarkomer.
Zuerst haben wir ein mathematisches Muskelmodell entwickelt. Tatsächliche Muskelmotoren (Myosin) funktionieren nach einem komplexen chemischen Zyklus, aber wir versuchen nicht, diese Chemie zu reproduzieren. Stattdessen stellen wir jede krafterzeugende Einheit als etwas viel Einfacheres dar: einen zyklischen „Rotor“ (oder Motor), der nur dann einen Beitrag leisten kann, wenn er mechanisch an eine physische „Wirbelsäule“ gekoppelt ist. Wenn es getrennt wird, verschwindet es praktisch und wird vom Rest isoliert.
Um zu testen, ob wir diese Ideen in ein reales physikalisches System umsetzen können, haben wir ein Tischgerät gebaut: eine Reihe einfacher Elektromotoren, die über eine gemeinsame mechanische Säule interagieren. Sie zogen eine dicke Flüssigkeit an und erzeugten so einen Widerstand, der der viskosen Belastung ähnelte, die biologische Motoren im Muskel erfahren.
Eine Illustration der in der Studie verwendeten künstlichen Muskeleinheit, entnommen aus https://doi.org/10.1098/rsif.2025.0438
Unser physikalisches Modell erzeugt Kraft, wenn Strom zugeführt wird. Wir wollten herausfinden, ob die Umgebung in koordiniertes, muskelähnliches Verhalten organisiert werden kann, wenn viele motorische Einheiten in die richtige mechanische Umgebung integriert werden.
Sowohl im mathematischen Modell als auch im Gerät bleiben die Motoren nicht ständig verbunden. Stattdessen nimmt jeder Motor kurzzeitig Kontakt mit einem gemeinsamen beweglichen Rückgrat auf, drückt es und lässt es dann los. Während sich die Wirbelsäule bewegt, überträgt sie die mechanischen Effekte eines Motors auf den nächsten und ermöglicht so eine Koordination, ohne dass sie direkt kommunizieren müssen.
Im nicht angeschlossenen Zustand agiert jeder Motor eigenständig. Diese einzelne Designentscheidung führt dazu, dass sich das gesamte motorische Netzwerk im Laufe der Zeit neu organisiert, ähnlich wie es biologische Motoren im Muskel tun, wo die Motoren im Rahmen ihrer biochemischen Zyklen ein- und ausgeschaltet werden.
In der Praxis übernimmt das Gerüst, auf dem sich die Rotoren befinden, einen Großteil der Koordinationsarbeit, sie ist jedoch verborgen. Es vermittelt, wie Einheiten einander so stark „fühlen“ können, dass sich kollektive Muster bilden.
Selbst in diesem vereinfachten System treten spontan verschiedene Formen muskelähnlichen Verhaltens auf. Mit zunehmendem Widerstand entwickeln die Motoren gemeinsam eine Last-Drehzahl-Beziehung. Unter Belastung versteht man die mechanische Spannung und physikalische Belastung, die auf das System ausgeübt wird.
Mit zunehmender Last leisten letztendlich mehr Einheiten einen effektiven Beitrag. Ihr Anteil steigt mit zunehmender Belastung. Wir haben auch festgestellt, dass die Bewegung unter bestimmten Bedingungen unruhig werden kann. Beispielsweise wurden Phasen koordinierter Traktion durch plötzliche Ausrutscher unterbrochen. Dies spiegelt Muster wider, die in realen Experimenten mit ACTOMYOSIN beobachtet wurden.
Anstatt dass alles im Einklang arbeitet, kann sich das System selbst in wandernde Koordinationswellen organisieren, bei denen sich das Muster durch die gesamte Anordnung bewegt.
Dies „erweitert“ in gewisser Weise die Grundidee eines Sarkomers: viele Krafteinheiten, eingebettet in eine gemeinsame Struktur, die Kräfte von einer Einheit zur nächsten überträgt und so eine spontane Koordination ermöglicht.
Koordinieren ohne Regisseur
Muskeln sind nicht der einzige Ort, an dem die Natur das Problem der Koordination vieler winziger Motoren gelöst hat. Mikroskopische Flagellen sind schwanzartige Fortsätze, die auf den Zellen einiger Eukaryoten, der Gruppe von Organismen, zu denen Tiere und Pflanzen gehören, zu sehen sind.
Beispiele für diese Flagellen sind der menschliche Spermienschwanz. Zilien sind mikroskopisch kleine haarähnliche Strukturen in vielen eukaryotischen Zellen. Sowohl Flagellen als auch Zilien funktionieren durch eine große Anzahl molekularer Motoren, die entlang einer langen, dünnen Struktur verteilt sind.
Gekrümmte Wellen, die durch motorische Kontraktion schwimmender Spermien entstehen.
Sein innerer Kern, das Axonem, ist eine wunderschön organisierte Struktur, die Kräfte entlang ihrer Länge überträgt und lokale motorische Aktivität in Biegewellen umwandelt. Diese Wellen sind von wesentlicher Bedeutung: In Spermien unterstützen sie die Beweglichkeit und Fruchtbarkeit, und in Zilien helfen sie dabei, Flüssigkeiten in den Atemwegen und anderen Geweben zu bewegen, was einen klaren Zusammenhang mit Gesundheit und Krankheit hat.
In diesem Sinne sind Flagellen getarnte „muskelähnliche“ Systeme. Auch hier sind Controller (Motoren, die Kraft erzeugen) in eine Kopplungsstruktur (ein mechanisches Gerüst, das Kraft und Rückmeldung überträgt) integriert. Und die Geometrie bestimmt, wie sich die lokale Aktivität zu einer kohärenten Wanderwelle addiert.
Wenn Struktur und Design einen Teil der organisatorischen Arbeit übernehmen, beantwortet das eine Frage, die Wissenschaftler seit langem beschäftigt: Wie baut die Evolution Systeme auf, die aus einer großen Anzahl einzelner Motoren bestehen, die dennoch ohne ein zentrales Steuerungssystem miteinander koordinieren, zuverlässig bleiben und sich an veränderte Bedingungen anpassen?
Verwendung in der Robotik
Unsere Ergebnisse sind über die Biologie hinaus von Bedeutung. In der Robotik ist es schwierig und teuer, viele Aktuatoren (die „Muskeln“ eines Roboters, die eine Energiequelle wie Elektrizität in Bewegung umwandeln) zur Zusammenarbeit zu bringen. Sensoren, Rückkopplungsschleifen, Steueralgorithmen und manchmal sogar komplexe mechanische Ratschen oder Zahnräder sorgen dafür, dass alles unter Last stabil bleibt. Es funktioniert, kann aber spröde und fehleranfällig sein.
Eine Zusammenstellung von Aufgabenfehlern des Atlas-Roboters von Boston Dynamics (The Independent)
Unser physikalisches Muskelmodell, bei dem Koordination als Eigenschaft der Konfiguration auftritt, legt nahe, dass einfachere Aktuatoren für die Robotik möglich sind. Dies ist genau die Art von grundlegendem Design, das Forscher für weiche Roboter (unter Verwendung flexibler Materialien) und künstliche Muskeln für die Robotik verfolgt haben.
Der Muskel könnte ein Beispiel für fahrerlose Koordination sein. Tausende molekulare Motoren arbeiten zusammen, nicht weil jeder einzeln gesteuert wird, sondern weil die weiche Struktur um sie herum ihr kollektives Verhalten steuert.
Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Robotik beginnen könnte, sich das gleiche Prinzip zunutze zu machen. Dies könnte in Zukunft dazu beitragen, die Robotik näher an die Biologie heranzuführen und den Weg für mehr organische Maschinen zu ebnen, deren Körper ihre Bewegung und Anpassung mitgestalten.
