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Muskelspindel / Regelkreise in der Biologie

Die Biologie
Eine Muskelspindel ist im Prinzip ein ganz normaler Muskel, der quasi „rückwärts“ arbeitet. Anstatt auf einen Nervenimpuls eine Kontraktion auszuüben, sendet die Muskelspindel ein SIgnal über eine Nervenfaser (der Ia Faser) zu einem Neuron, sobald die Muskelspindel gedehnt wird.

Eine Muskelspindel hat ist bei Menschen etwa 3 mm lang und hat einen dehnbaren Mittelteil (an denn die Ia Fasern münden), sowie 2 kontrahierbare Seitenteile (die mit den gamma Fasern verbunden sind). Die Muskelpindel ist in den gewöhnlichen Muskelfasern der Skeletmuskulatur eingebetet und vollführt folgende Aufgaben:

Halteregelung

Die Situation ist die folgende:
1. Der Muskel ist in der Ausgangstellung und die Muskelspindel ist in Ruhe. Dadurch wird kein SIgnal von der Spindel über ihre sog. Ia Nervenfasern geleitet

2. Wenn jetzt der Muskel von aussen gedehnt wird, wird auch die Muskelspindel gedehnt (an der dehnbaren Mitte) und sie sendet ein Signal über ihre Ia Nerfenfasern. Dieses Signal bewirkt im Rückenmark einen Reflex, der wiederum ein Signal an den Muskel zurück schickt (nicht die Muskelspindel) wodurch dieser sich wiederum soweit zusammenzieht bis die Muskelspindel wieder in ihrer Ausgangslage ist.

Folgeregelung

Dieser Reflex kann allerdings auch dazu ausgenutzt werden um beispielsweise den Muskel auf eine bestimmte länge zu bringen. Diegamma Fasern können nämlich die Seitenteile der Muskelspindel verkürzen und so eine Zugspannung auf den dehnbaren Mittelteil ausüben. Dieser „glaubt“ nun der Muskel ist zu stark gedehnt und gibt seiner seits über den vorher beschriebenden Mechanismus den Befehl „Muskel verkürzen“.

Die Relevanz zur Robotik

Rein formal betrachtet entspricht diese Regelvorgang in etwa der Funktionsweise eines Servos. Bei genauere Betrachtung kann dieses System aber vielmehr als übliche Servoregelungen.
Bei einem Servo lässt sich üblicherweise nur der Winkel einstellen den der Servo haben soll. Hätte man ein System wie die Muskelspindel zur Verfügung, könnte man gleichzeitg messen, mit welcher Kraft ein Aktuator seine Bewegung ausführt bzw. ob ein Greifer zum Beispiel ein Objekt bereits gegriffen hat oder nicht.

Man könnte auch zum Beispiel so auf sehr einfache Weise die Kraft einschränken mit der ein Werkzeug arbeitet (z.B. ein Greifer zupacken soll) oder aber auch wie schnell.

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