Universiẗat, Diss., 2003--Giessen.

München, Techn. Univ., Diss., 2005.

Universiẗat, Diss.--Jena, 2004.

Techn. University, Diss., 2007--Darmstadt.

Die Notwendigkeit, sich über unebene, sich ständig verändernde Gelände zu bewegen, gehört zu unserem täglichen Leben. Das zentrale Nervensystem muss daher eine erhöhte Menge an Information integrieren, um mit der Unvorhersehbarkeit äußerer Störungen zurechtkommen zu können. Die Folge dieser erhöhten Beanspruchung könnte eine flexible Kombination der modularen Organisation von Bewegungssteuerung sein. Auf Kosten der Genauigkeit der Bewegung wäre es so möglich, dass das System reagiert, indem es die Robustheit (Fähigkeit mit Fehlern umzugehen) seiner Steuerung erhöht. Jedoch sind die Strategien, die das zentrale Nervensystem zur Organisation der Bewegung verwendet, immer noch schlecht verstanden. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Bewegungen zustande kommen durch eine kleine Anzahl linear kombinierter Aktivierungsmuster (Muskelsynergien). Unter den verschiedenen Möglichkeiten der Bewegungsstörung sind das Weglassen von Schuhen und die Verwendung von unebenen Oberflächen zwei gebräuchliche Optionen. In einem ersten Schritt habe ich eine gründliche Analyse der Methoden durchgeführt, die nützlich sind für a) die Auswertung von raumzeitlichen Gangparametern mithilfe von Daten der plantaren Druckverteilung und b) die Extraktion von Muskelsynergien mittels nicht-negativer Matrixfaktorisierung. Anschließend habe ich die modulare Organisation von c) beschut und barfuß Laufen und d) Laufband Gehen und Laufen über ebener und unebener Oberfläche analysiert. Im Vergleich zum gestörten Zustand zeigte das Barfußlaufen eine zeitlichen Verschiebung der zeitabhängigen Muskelaktivierungspatterns (Motor Primitives) und eine Reorganisation der zeitunabhängigen Koeffizienten (Motor Modules). Zusammenfassend, konserviert Fortbewegung über unebener Oberfläche, im Vergleich zu ebener, Motor Modules, während Motor Primitives im Allgemeinen breiter werden. Diese Ergebnisse unterstützen die Idee einer erhöhten Robustheit in der motorischen Kontrolle während der instabilen Fortbewegung. / The need to move over uneven, continuously changing terrains is part of our daily life. Thus, the central nervous system must integrate an augmented amount of information in order to be able to cope with the unpredictability of external disturbances. A consequence of this increased demand might be a flexible recombination of the modular organisation of movement creation and control. At the expense of motion’s accuracy, it is possible that the system responds by increasing its control’s robustness (i.e. ability to cope with errors). However, the strategies employed by the central nervous system to organise movement are still poorly understood. One possibility is that movements are constructed through a small amount of linearly combined patterns of activations, called muscle synergies. Amongst the several possibilities of perturbing locomotion, the removal of footwear and the use of uneven surfaces are two valid options. In a first step, I conducted a thorough analysis of the methodologies useful for a) the evaluation of spatiotemporal gait parameters using plantar pressure distribution data and b) the extraction of muscle synergies using non-negative matrix factorisation. Afterwards, I analysed the modular organisation of c) shod and barefoot running and d) walking and running over an even- and an uneven-surface treadmill. The modular organisation of locomotion, assessed through the extraction of muscle synergies, changed when perturbations were introduced. Compared to the shod condition, barefoot running underwent, mostly due to the different foot strike pattern, a reorganisation of the time-independent coefficients (motor modules) and a time-shift of the time-dependent muscle activation patterns (motor primitives). Uneven-surface locomotion, compared to even-surface, conserved motor modules, while motor primitives were generally wider, confirming the idea of an increased robustness in motor control during unsteady locomotion.

Biped robots with serial links driven by an electric motor experience problems because the motor and transmission are installed in each joint, causing the legs to become very heavy. Previous solutions involved robots using servo valves, a type of highly responsive proportional valve. However, high supply pressure is necessary to realize high responsiveness and the resulting energy losses are large. To address this problem, we proposed a hydraulic direct-drive system in which the pump controls the cylinder meter-in flow, while a proportional valve controls the meter-out flow. Furthermore, our hydraulic interlocking drive system connects two hydraulic direct-drive systems for biped humanoid robots and concentrates the pump output on one side cylinder. The meter-in flow rate of the other side cylinder is controlled by the meter-out flow rate of the cylinder on which the pump is concentrated. A comparison of the walking simulation performance with that of the conventional independent system shows that our proposed system reduces the motor output power by 24.3%. These results prove the feasibility of constructing a two-legged robot without having to incorporate highly responsive servo valves.

Gleichgewichtsstörungen und Stürze gehören zu den wichtigsten Symptomen der Parkinson Krankheit (PD). Bei jungen PD-Patienten werden diese Probleme durch Nebenwirkungen der Medikation zusätzlich verstärkt. Aufgrund des noch sehr limitierten Verständnisses der zugrunde liegenden Mechanismen, die zum erhöhten Sturzrisiko bei jungen PD-Patienten beitragen, mangelt es derzeit an alternativen und effektiven bewegungsbasierten Therapien, um diese Sturzgefahr zu verringern. Diese Arbeit zielt darauf ab, solche Mechanismen zu identifizieren und eine effektive Methode zur Früherkennung des Sturzrisikos bei jungen PD-Patienten zu entwickeln. Es wurde der Beitrag der zentralen und peripheren neuromuskulären sowie sensomotorischen Fähigkeiten, dynamischen Stabilitätskontrolle und Anpassungsfähigkeit der Fortbewegung auf die Sturzrate junger PD-Patienten mittels eines Vergleichs zwischen gesunden Probanden und jungen PD-Patienten mit und ohne Sturzerfahrung (Fallers vs. Non-Fallers) untersucht. Der Vergleich zeigte, dass die PD-Fallers zentral begründete Defizite in der Muskelkraft ihrer Beinstrecker aufwiesen sowie eine verringerte Abfangleistung nach simulierten Vorwärtsstürzen. Die Parameter „Muskelkraft“ und „Annäherung an die vordere Stabilitätsgrenze“ identifizieren gemeinsam 90% der Fälle junger PD-Faller. PD-Patienten zeigten auch eine uneingeschränkte prädiktive Anpassungsfähigkeit auf Gangstörungen, aber ein weniger stabiles Gangmuster und weniger effektive reaktive Antworten auf wiederholte Gangstörungen im Vergleich zu Kontrollpersonen. Diese Arbeit stellt relevante Informationen dar, die für die Entwicklung von alternativen nicht-medikamentösen Therapien zur Reduzierung des Sturzrisikos bei jungen PD-Patienten nützlich sind. Darüber hinaus wurde eine akkurate Methode zur Früherkennung von jungen PD-Patienten mit einem erhöhen Sturzrisiko erarbeitet. Diese Patienten könnten von Training der Beinstrecker und der dynamischen Stabilität profitieren. / Postural instability and falls are some of the main symptoms associated with the Parkinson`s disease (PD). In early-onset patients (diagnosed before the age of 51) these problems are worsened by medication-related side-effects. There is a lack of effective exercise-based training interventions to reduce the risk of falling due to our limited understanding of the underlying mechanisms contributing to falls in early-onset PD. The present thesis aims to identify those mechanisms responsible for falls and to develop a sensitive method of assessment for the early discrimination of patients at risk of falling in early-onset PD. We investigated the contribution of central and peripheral neuromuscular and sensory-motor capacities, dynamic stability control and locomotor adaptability to the increased risk of falling in young PD patients by means of comparing healthy controls and early-onset PD fallers and non-fallers. The comparison revealed that PD fallers have central originated deficits in leg extensors` muscle strength - evidenced by increased antagonistic moments and activation deficit of the agonists - and a reduced increase of the base of support in response to simulated forward falls, both resulting in decreased recovery performance. The factors “muscle strength” and “approach to the anterior limit of stability” together could correctly classify 90% of the PD fallers. In addition, while young PD patients showed unaltered predictive adaptability to gait perturbations, they exhibited less stable gait patterns and less effective reactive responses to repeated gait perturbations compared to controls. This thesis provides relevant information for the development of alternative non-medication based therapies aiming to reduce falls in early-onset PD and an accurate assessment tool for the early identification of young patients at a high risk of falling. These patients may benefit from leg-extensors'' strengthening and dynamic stability training.

Die paläarktische omnivore Weichwanze Dicyphus errans Wolff (Heteroptera, Miridae, Bryocorinae) zeichnet sich durch ein ausgesprochen breites Spektrum an besetzten Wirtspflanzen und konsumierten Beutetieren aus. Über 150 von D. errans akzeptierte Pflanzenarten sind erstmalig belegt worden. Der erfolgreiche Verzehr von 15 Beute-tierarten wurde quantitativ nachgewiesen. Eine weitere Besonderheit der Wanze besteht in der Präferenz für glandulär behaarte Pflanzen. Die Weichwanze besetzt somit von vielen anderen Insekten gemiedene Nischen. Untersuchungen im Botanischen Garten der Technischen Universität Dresden (2000 bis 2002) ließen auf eine bemerkenswerte räuberische Aktivität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Habitate, Beutetiere und Klimabedingungen schließen. Die fortführenden Studien im Rahmen der vorliegenden Dissertation (2002 bis 2005) erbrachten umfassende Erkenntnisse über die Art D. errans im Hinblick auf deren Morphologie, Vermehrung und Haltung, Bionomie und Ökologie (Fekundität und Ontogenese in Abhängigkeit von ausgewählten Einflussfaktoren, Dormanz), Aufenthalt und Fortbewegung (räumliche Orientierung und strukturanalytische Studien zu den Interaktionen zwischen Wanze und Pflanzenoberflächen), den Nahrungserwerb (Verzehrleistung und Omnivorie) sowie Videodokumentationen der Lebensweise und des Verhaltens. Der Generalist und Opportunist D. errans integriert sich als Pflanzensaftsauger regulierendes Kompartiment neben echten Räubern und Parasitoiden in Biozönosen. Als omnivores Insekt übernimmt die Wanze eine intermediäre und supplementäre Position in Nahrungsnetzen. Die Lebensweise dieser Weichwanzenart erscheint sehr komplex. Die enge Assoziation mit Pflanzen tritt stark in den Vordergrund. Sie ist in jeglichen Betrachtungen von D. errans unbedingt zu berücksichtigen und bietet außerdem als ein Modellsystem ein spannendes Forschungsfeld im Hinblick auf die Adaptation partiell räuberisch lebender Insekten an behaarte Pflanzen. / The omnivorous mirid bug Dicyphus errans Wolff (Heteroptera, Miridae, Bryocorinae) lives on a wide range of host plants and feeds on various preys. Over 150 plant species accepted by the mirid bug have been identified. It was experimentally shown that 15 prey species are efficiently consumed. Another characteristical features of D. errans is that it preferes hairy plants. Thus, the mirid bug occupies unique niches avoided by many other insects. Investigations, carried out at the Botanical Garden of the Technical University of Dresden (2000-2002) gave evidence for a remarkable predatory activity and ability to adaptation to different habitats, preys and climate conditions. The studies presented in the dissertation (2002-2005) gave the comprehensive knowledge about the species D. errans, especially its morphology, rearing, bionomy and ecology (fecundity and ontogenesis depending on selected factors, dormancy), habitat preference and locomotion (spatial orientation and structural-analytical studies of the interactions between the bug and plant surfaces), foraging and food ingestion (predatory capacity and omnivory). In addition, video documentation of the modus vivendi and the behavior was performed. The generalist and opportunist D. errans lives together with predators and parasitoids and takes part in a biological control of phytophagous insects in biocenoses. The life history of this bug species appeared to be very complex. The close association to plants has to be considered. Dicyphus errans offers a model system for further research on omnivorous predatory insects connected with hairy plants.

Die paläarktische omnivore Weichwanze Dicyphus errans Wolff (Heteroptera, Miridae, Bryocorinae) zeichnet sich durch ein ausgesprochen breites Spektrum an besetzten Wirtspflanzen und konsumierten Beutetieren aus. Über 150 von D. errans akzeptierte Pflanzenarten sind erstmalig belegt worden. Der erfolgreiche Verzehr von 15 Beute-tierarten wurde quantitativ nachgewiesen. Eine weitere Besonderheit der Wanze besteht in der Präferenz für glandulär behaarte Pflanzen. Die Weichwanze besetzt somit von vielen anderen Insekten gemiedene Nischen. Untersuchungen im Botanischen Garten der Technischen Universität Dresden (2000 bis 2002) ließen auf eine bemerkenswerte räuberische Aktivität und Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Habitate, Beutetiere und Klimabedingungen schließen. Die fortführenden Studien im Rahmen der vorliegenden Dissertation (2002 bis 2005) erbrachten umfassende Erkenntnisse über die Art D. errans im Hinblick auf deren Morphologie, Vermehrung und Haltung, Bionomie und Ökologie (Fekundität und Ontogenese in Abhängigkeit von ausgewählten Einflussfaktoren, Dormanz), Aufenthalt und Fortbewegung (räumliche Orientierung und strukturanalytische Studien zu den Interaktionen zwischen Wanze und Pflanzenoberflächen), den Nahrungserwerb (Verzehrleistung und Omnivorie) sowie Videodokumentationen der Lebensweise und des Verhaltens. Der Generalist und Opportunist D. errans integriert sich als Pflanzensaftsauger regulierendes Kompartiment neben echten Räubern und Parasitoiden in Biozönosen. Als omnivores Insekt übernimmt die Wanze eine intermediäre und supplementäre Position in Nahrungsnetzen. Die Lebensweise dieser Weichwanzenart erscheint sehr komplex. Die enge Assoziation mit Pflanzen tritt stark in den Vordergrund. Sie ist in jeglichen Betrachtungen von D. errans unbedingt zu berücksichtigen und bietet außerdem als ein Modellsystem ein spannendes Forschungsfeld im Hinblick auf die Adaptation partiell räuberisch lebender Insekten an behaarte Pflanzen. / The omnivorous mirid bug Dicyphus errans Wolff (Heteroptera, Miridae, Bryocorinae) lives on a wide range of host plants and feeds on various preys. Over 150 plant species accepted by the mirid bug have been identified. It was experimentally shown that 15 prey species are efficiently consumed. Another characteristical features of D. errans is that it preferes hairy plants. Thus, the mirid bug occupies unique niches avoided by many other insects. Investigations, carried out at the Botanical Garden of the Technical University of Dresden (2000-2002) gave evidence for a remarkable predatory activity and ability to adaptation to different habitats, preys and climate conditions. The studies presented in the dissertation (2002-2005) gave the comprehensive knowledge about the species D. errans, especially its morphology, rearing, bionomy and ecology (fecundity and ontogenesis depending on selected factors, dormancy), habitat preference and locomotion (spatial orientation and structural-analytical studies of the interactions between the bug and plant surfaces), foraging and food ingestion (predatory capacity and omnivory). In addition, video documentation of the modus vivendi and the behavior was performed. The generalist and opportunist D. errans lives together with predators and parasitoids and takes part in a biological control of phytophagous insects in biocenoses. The life history of this bug species appeared to be very complex. The close association to plants has to be considered. Dicyphus errans offers a model system for further research on omnivorous predatory insects connected with hairy plants.