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Random Positioning Machine - Schwerelosigkeitssimulator
Die «Random Positioning Machine» (RPM) wird verwendet, um biologische Proben simulierter Schwerelosigkeit auszusetzen. Um diese zu erzeugen werden die Proben permanent gedreht. Die Drehbewegung wird über Algorithmen so gesteuert, dass über längere Zeit gemittelt der Gravitations-Vektor in alle Raumrichtungen gleich lang auf die Proben einwirkt.
Mit Beginn der bemannten Raumfahrt wurde klar, dass die Schwerelosigkeit, auch Mikrogravitation genannt, einige drastische Auswirkungen auf den Körper und einzelne Organe hat. Der massive Muskel und Knochenschwund, welcher insbesondere bei längeren Weltraumflügen auftritt, kann auch bei älteren Menschen beobachtet werden. Aus diesem Grund eignet sich der Weltraum hervorragend als mechanobiologisches Labor, um solche Veränderungen zu studieren. Erstaunlicherweise hat die Mikrogravitation nicht nur auf der Ebene von Organen sondern auch auf einzelne Zellen Auswirkungen.
Experimente, welche nur für wenige Sekunden Mikrogravitation verlangen, können in Falltürmen oder mit Parabelflügen durchgeführt werden. Um jedoch längere Schwerelosigkeitsexperimente durchführen zu können braucht es einen Flug in den Weltraum. Da der Zugang zum Weltraum nach wie vor sehr eingeschränkt ist und solche Experimente in der Vorbereitung sehr aufwendig sind, ist die Wissenschaft auf Simulations-Modelle angewiesen. Diese erlauben ausführliche Vor- und Nachstudien, sowie Hardwaretests.
Zur Simulation der Schwerelosigkeit werden «Random Positioning Machines» eingesetzt. RPMs bestehen aus zwei kardanisch aufgehängten Rahmen in dessen Mitte die biologischen Proben platziert werden. Die Rahmen werden von zwei unabhängigen Motoren angetrieben. So können die Proben relativ zum Gravitationsvektor beliebig ausgerichtet werden. Es wird angenommen, dass der Gravitationsvektor eine minimale Zeit auf biologische Systeme (wie z. B. Zellen) wirken muss, damit er von diesen wahrgenommen wird. Wird der Gravitationsvektor (durch drehen der Proben) rasch genug umorientiert, so ist es den Zellen nicht mehr möglich auf die Gravitation zu reagieren, was zu Reaktionen führt, wie sie in der Schwerelosigkeit vorkommen. Mit Hilfe einen zufallsbasierten Random-Walk-Algorithmus, wird der Gravitationsvektor so verteilt, dass die Gravitation, über die Zeit gemittelt, gegen null konvergiert.
Random Positioning Incubator
Das CC Aerospace Biomedical Science and Technology initialisierte ein Re-Design der klassischen RPM, die von T. Hoson in Japan entwickelt und von Dutch Space (früher Fokker Space) hergestellt wurde. Umgesetzt hat die Realisation Prof. Jörg Sekler, Institut für Automation an der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW).
Folgende Eigenschaften charakterisieren die neue RPM:
- CO2-Inkubator (konstanter Temperatur und CO2 - Gehalt)
- Mehrere Betriebsarten (Random Walk, Swing, Partial Gravity, Cyclic Operation)
- Programmierbarer Start und Stopp unterschiedlichster Sequenzen
- G-Sensor Überprüfung des erzeugten Schwerelosigkeits-Vektors
- Automatische Datenregistration
- Drehdurchführungen für Flüssigkeiten und Gase
- Drahtlose Überwachung verschiedener Parameter
Klimakammer
Biomedizinische Forschung unter Schwerelosigkeit erfordert komplexe Messanordnungen, welche in Laborinkubatoren keinen Platz finden. Wir entwickeln daher eigene, massgeschneiderte Klimakammern.
Microgravity Incubator
An der Hochschule Luzern wird ein weiteres Design der RPM entwickelt, genannt “Microgravity Incubator” (MGI). Diese RPM zeichnet sich durch mehrere innere Rotationsachsen aus. Dadurch werden alle Proben genau um das Rotationszentrum gedreht und werden somit gleich behandelt. Durch die kompakte Bauweise kann der MGI problemlos in Inkubatoren betrieben werden.
Digital Holographic Microscope – Holographische Mikroskopie
Digital Holographic Microscope (DHM) ist ein neues und innovatives bildgebendes Verfahren, speziell geeignet, um die Oberfläche von mikroskopischen Objekten zu untersuchen. Mit diesem Verfahren werden quantitative «phase images» hergestellt, die direkt in Bezug zum «optical path length» (OPL) des Objekts gebracht werden können. Dies ermöglicht auch zellmorphologische Analysen durchzuführen.
Um morphologische Veränderungen von Zellen in Echtzeit unter simulierter Schwerelosigkeit über einen längeren Zeitraum zu verfolgen, wurde die DHM-Technik mit der «Random Position Machine» gekoppelt. Somit können die Änderungen, die durch das Aufheben der Schwerkraft ausgelöst werden, im Detail an lebenden Zellen erforscht werden.
Die neue Technologie wurde intensiv an einer Maus-Muskelzelllinie (C2C12) angewandt, um deren Veränderung in simulierter Schwerelosigkeit aufzuzeigen. Der grosse Vorteil dieser Methode ist, dass die Zellen unbehandelt untersucht werden können.