Wie funktioniert das komplizierteste Gelenk des Menschen?

Das Knie ist das grösste Gelenk des Menschen. Vielleicht deshalb wird es oft als das komplizierteste menschliche Gelenk bezeichnet. Wer sich Zeit nimmt und das Knie genau studiert, wird feststellen, dass ein Knie genau genommen aus zwei Gelenken besteht, nämlich dem Kniescheibengelenk und dem Kniekehlgelenk. ARD hat ein tolles Video gedreht, welches das Knie in weniger als drei Minuten erklärt.
Eine wichtige Eigenschaft des Knies besteht darin, dass es beim Biegen keine einfache Drehung ausführt. Vielmehr kann man sich die Bewegung als eine Art Rollgleiten vorstellen. Der HSR-Student Stefan Fritschi, welcher für uns an einem Kniegelenk forscht, hat diese komplexe Bewegung mit einem 3D-gedruckten Modell veranschaulicht:

Es stellt sich also die Frage, wie genau sich ein Knie bewegt. Eine gute Übersicht erhält, wer eine Linie aus allen Punkten zeichnet, welche ein Gelenk während einer Bewegung durchläuft. Stefan Fritschi hat für drei seiner Konzepte genau diese Kurve berechnet:

Die drei Konzeptvarianten v.l.n.r.: Mehrachsergelenk, Einachsergelenk, Rollgleiten

Aber welche dieser Kurven kommt einem menschlichen Knie am nächsten? Dazu habe ich einen Versuch gemacht. Auf einem Bein werden mehrere rote Punkte aufgeklebt, dann wird das Knie vor laufender Kamera gebogen. Danach kommt der komplizierte Teil: Ein Programm zu schreiben, welches alle Punkte selbständig findet und deren Position berechnet. Unten das Ergebnis:

Damit kann die Konstruktion so optimiert werden, dass die Bewegung des künstlichen Gelenks möglichst jener eines echten Gelenks ähnelt.


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