Prof. Dr.-Ing. Ulrich Witzel

   

Lehrstuhl für Produktentwicklung
Gebäude IC 1/167
Ruhr-Universität Bochum
D-44780 Bochum


Telefon: +49 (0)234/32-24058
Telefax: +49 (0)234/32-14159
E-Mail: ulrich.witzel@rub.de

Bereich: Biomechanik

Lehre

  • Analyse biomechanischer Systeme
  • Synthese biomechanischer Systeme
  • Betreuung von Studien- und Abschlussarbeiten

Internationale Forschungskooperationen

  • Honorary Professor of Biomechanics of the University of Hull, Hull, Yorkshire, United Kingdom seit 2008
  • Lehr- und Forschungsaufgaben, zweimal jährlich in der Medical and Biological Research Group, Prof. Michael Fagan, Department of Engineering, University of Hull
  • Forschungskooperation University of Aberdeen, School of Medicine & Dentistry, Scotland, Flora Groening, PhD
  • Forschungskooperation University of Wisconsin, La Crosse, Department of Biology, Prof. Eric Snively

Lebenslauf in Stichpunkten

  • 1961-1966 Studium Maschinenbau (Dipl.-Ing.) an der TU Darmstadt, Vertiefung in Aerodynamik und Flugzeugbau
  • 1967-1975 Leitende Industrietätigkeit und Universitätsassistent
  • 1975 Akademischer Oberrat, Fakultät Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum, Lehrbeauftragter für Konstruktionslehre bis 2006
  • 1980 Promotion in Konstruktionstechnik, Ruhr-Universität Bochum
  • 1980 Aufbau und Leitung des Forschungsbereichs Biomechanik, Institut für Konstruktionstechnik
  • 1988 – 2007    Lehrbeaftragter für Precision Engineering
  • 1996 bis heute Lehrbeauftragter für Biomechanik
  • 2007 Visiting Professor of Biomechanics an der University of Hull (UK)
  • 2007 bis heute Mitglied der DFG Forschergruppe 533 mit unterschiedlichen DFG Projekten und Stipendien für Forschungsreisen nach England und Argentinien
  • 2008 Honorary Professor of Biomechanics in the Department of Engineering, Centre for Medical Engineering and Technology, University of Hull
  • 2012 Honorarprofessor, Fakultät Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum


Sonstige Tätigkeiten

  • Präparator und Demonstrator in Anatomischen Kursen für Chirurgen und Orthopäden
  • Biomechanische Assistenz während Gelenkoperationen. Mehr als 50 Einsätze in verschiedenen in- und ausländischen Universitäten und Kliniken
  • Gerichtssachverständiger für Biomechanik an Oberlandesgerichten und dem Prime Court, USA
  • Entwickler der Finite Elemente Struktur-Synthese (FESS) zur Anwendung in der Anatomie, Biologie und Paläontologie
  • Entwickler der Drucktheorie für Knochen im Hinblick auf eine Biegeminimierung durch reflektorische Muskelaktivitäten der Agonisten und Antagonisten
  • Permanenter Reviewer von fünf Journals aus den Fachgebieten Anatomie, Medizin, Morphologie und Paläontologie und vier Förderungsgesellschaften


60. Phylogenetisches Symposium „Funktionsmorphologie und Bionik“ (23.-25. November 2018)

Vortragsthema

Funktionsmorphologische Forschung mit Hilfe biomechanischer Ansätze im Rahmen der Phylogenie und ontogenetischen Entwicklung zum Vertebraten

Kurzfassung

Mit der Einführung der Methode der finiten Elemente als numerisches Berechnungsverfahren kann in der modernen Ingenieurwissenschaft nahezu jede Konstruktion bereits in einem frühen Entwicklungsstadium unter angenommener funktioneller Belastung berechnet werden. Diese Methode findet ebenfalls bei interdisziplinären Forschungsprojekten unter Beteiligung, von Maschinenbau, Biologie, Paläontologie oder auch Medizin ihre erfolgreiche Anwendung. Inzwischen hat sich die Biomechanik als wertvolles Bindeglied und Moderator herausgebildet. So konnten wir mit der „Finite Elemente Struktur-Analyse“ (FESA) temporäre und permanente Implantate berechnen und optimieren, eine neuartige Hüftendoprothesen-Generation begründen und ein dauerhaftes Gesamtkniegelenk für jugendliche Knochenkarzinom-Patienten entwickeln. Weiterhin ergab sich die Möglichkeit, mit der FESA rezente Strukturen wie auch Fossilfunde weitreichend untersuchen zu können. Die im Vortrag vorgestellten Ergebnisse zeigten exemplarisch dreidimensionale Spannungsanalysen komplexer Schädel unter funktioneller Belastung und die Deutung von passiven kollagenen Zuggurtungen durch feinste kollagene Fasern bei einem kreisbogenförmigen Nagerzahn. Weiterhin fanden wir eine bislang unbekannte aktive beißsynchronen Zuggurtung in Form einer langen Beißmuskelsehne in langen Krokodilschnauzen zur Biegeminimierung der Kiefer. Eigene kritische Beobachtungen der FESA und Literaturstudien deuteten darauf hin, dass berechnete Spannungsverteilungen aufgrund fehlender oder falscher Kräfte und Momente häufig fehlinterpretiert wurden. Daher entwickelten wir nach dem Postulat „Die Form folgt der Funktion“ eine Invertierung des FESA-Ansatzes als virtuelle „Finite Elemente Struktur-Synthese“ (FESS). Wir gingen vom energetisch sinnvollen Leichtbau des Skelettsystems aus, das durch seine Druckkonstruktion und Zuggurtungs-Systeme die notwendige Biegeminimierung gewährleistet. Biegeminimierte Druckstrukturen sind die Voraussetzung des Leichtbaus in der Zoologie und der Technik.

Als virtuelle Synthesen wurden im Vortrag 3D Schädelformen mit vollständigen Binnenstrukturen vorgestellt: u. a. Schädel eines Neanderthalers und eines Sauropoden alleine durch deren funktionelle Druck- und Zugbelastungen in einem unstrukturierten homogenen Bauraum nur mit Festlegungen der Sinnesorgane nach Größe und Position, sowie der Geometrie der Zahnbögen. Die FESS erklärt die virtuell erzeugten biegeminimierten knöchernen Druckstrukturen durch eine iterativ bestimmte funktionelle Belastung als mechanisch determiniert, wenn das Syntheseergebnis in Form und Struktur mit dem knöchernen Fund oder seiner Mineralisierung übereinstimmt. Diese virtuellen Strukturen können über ihren Datensatz mit den Mitteln der additiven Fertigung in Kunststoff oder Metall dreidimensional gedruckt werden und stehen dann auch haptisch zur Verfügung. Die diskutierten virtuellen Schädelsynthesen mittels FESS erlauben über jeweils ältere oder jüngere Funde derselben Art und zugehörige iterative Lastbestimmungen Einblick in die Phylogenie dieser Lebewesen zu erlangen. Werden bei einer FESS funktionelle Schubbelastungen in einen homogenen Bauraum eingeleitet, z.B. mit der Geometrie und den Randbedingungen eines sehr frühen embryonalen Kniegelenks, so können wir dessen bereits durch Verdichtungen angelegten Kreuzbandapparat mit vorderem und hinterem Kreuzband in einer virtuellen Synthese aufgrund von Schubkräften analog zu intrauterinen Vorgängen dreidimensional aus einer den Stammzellen angepassten virtuellen Stofflichkeit als Zugstruktur generieren. Dabei entspricht das im Vortrag gezeigte Ergebnis in dieser ontogenetischen Phase dem kinematischen Aufbau eines Koppelkurvengetriebes, das die Roll-Gleit-Bewegung in der Realität eines Kniegelenks ermöglicht und dessen Zugstrukturen ebenfalls mechanisch determiniert sind. Der Vortrag endete mit zwei weiteren FE-CFD DFG-Projekten, in denen Theorien zur Atmung von Sauropoden und zum Unterwasserflug von Plesiosaurus fluiddynamisch numerisch und bionisch untersucht wurden.



Forschungsinteressen / Arbeitsgebiete

  • Finite Elemente Struktur-Synthese von komplexen biologischen und technischen Strukturen
  • Drucktheorie der Knochen im Rahmen des Evolutionsgeschehens und der Individualentwicklung
  • Biomechanik mariner Reptilien, speziell das Unterwasserfliegen mit Einsatz der FE-CFD-Methode einschließlich der Muskelkraftbestimmung
  • Entwicklung und Konstruktion von Endoprothesen
  • Interdisziplinäre Forschung in Medizin, Biologie und Maschinenbau u. a. mit Hilfe der Finiten Elemente Struktur-Analyse


Projekte in der DFG Forschergruppe 533

  • 2007 – 2010   Two DFG-projects of DFG Research Unit 533: Biology of the Sauropod Dinosaurs: The Evolution of Gigantism. University of Bonn
    a) “The evolution of skull shape and function in Sauropodomorpha: insights from finite-element structure synthesis and landmark analysis” (Witzel, PI and Rauhut, Co-PI, München)
    b) “The biomechanical design and morphofunctional evolution of presacral vertebrae in Sauropodomorpha deduced from shape analysis and finite-element structure synthesis (FESS)” (Rauhut, PI, München, and Witzel, Co-PI)
  • 2010 – 2012   DFG-project of DFG Research Unit 533: Biology of the Sauropod Dinosaurs: The Evolution of Gigantism. University of Bonn. “The role of trachea, lungs and airsacs in temperature control in sauropods as estimated by novel application of finite-element and air-flow analysis.” (Perry, PI, and Witzel, PI, Dr.-Ing. Nina Sverdlova, Co-worker)


Weitere Förderungen

  • 2008 DFG travel grant for research on skull of Herrerasaurus in San Juan, Argentina
  • 2008 Grant of the Research School, University of Bochum, for a PhD student in biomechanical bone research. N. Sverdlova
  • 2008 Travel grant for research stay for 4 weeks at the University of Hull, UK


Veröffentlichungen

143 Veröffentlichungen: 57 nationale Zeitschriften, 31 internationale Journals, 36 Konferenzbeiträge und Kapitel in 19 Büchern