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Bachelorarbeit

Zeitliche Adaptivität und Lastbalancierung für eine Simulation der Aktivierung von Muskelfasern
Bearbeiter Sebastian Kreuder
Betreuer M.Sc. Benjamin Maier
Prüfer Prof. Dr. rer. nat. habil. Miriam Mehl
Beschreibung

Ein menschlicher Muskel, wie beispielsweise der Biceps Brachii, enthält
mehrere 100.000 Muskelfasern, die für die Kontraktion verantwortlich sind.
Eine feine Kraftdosierung sowie unterschiedliche Anforderungen an Ausdauer
und Kraft werden durch die neuronale Verschaltung und die unterschiedlichen
Eigenschaften der Muskelfasern erreicht. Um die Kontraktion eines Muskels in
der Simulation abzubilden, muss eine hohe Rechenlast bewältigt werden, die
durch High Performance Computing-Techniken mit einer hochparallelen
Ausführung erzielt werden kann.
Die Aktivierung einer Muskelfaser erfolgt durch die Ausbreitung eines
elektrischen Potentials (Depolarisation) entlang der Faser. Während sich der
Depolarisationsbereich entlang der Muskelfaser ausbreitet, ist nur in den
aktivierten Bereichen ein erhöhter Rechenaufwand nötig. An Stellen, an denen
die Faser nicht aktiviert ist, können die zugrundeliegenden Gleichungen mit einer gröberen
Diskretisierung in der Zeit berechnet werden. Wenn die Fasern durch mehrere Prozesse parallel
berechnet werden, führt dies leicht zu Imbalancen und einer schlechten Ausnutzung der
verfügbaren Rechenkapazität.
Momentan existiert eine parallele Implementierung der Aktivierungssimulation ohne zeitliche
Adaptivität und mit statischer Aufteilung der Berechnungsgebiete auf die Prozesse.
In dieser Arbeit soll zunächst eine adaptive Schrittweitensteuerung implementiert werden, die
die Zeitschrittweiten bei nicht aktivierten Bereichen vergrößert und bei aktivierten Bereichen
feiner macht. Nach der Untersuchung der dadurch entstehenden Imbalancen soll die
Neuverteilung der Berechnungsgebiete auf die Prozesse umgesetzt werden (“Rebalancing”).