Das Verständnis der Fußfunktion hat sich in den letzten Jahrzehnten stark gewandelt. Der Fuß ist weder ein steifer Hebel [1] noch ein klassisches Federsystem [2], sondern verhält sich vielseitig und mechanisch nicht-linear, um sich den wechselnden Anforderungen anzupassen [3]. Jüngste Studien zeigen eine permanente Interaktion aktiver (Muskel-Sehnen-Einheiten) und passiver Strukturen (Plantarfaszie, Bänder, Kapseln) während der Stützphase [4 – 7]. Es sind nicht allein der Windlass-Mechanismus [1] oder die mechanische Feder [2], die die Funktion des Fußes ausmachen. Die Funktionsweise ist hochkomplex und seine Charakterisierung zeigt sich in der funktionellen (oder auch dynamischen oder Quasi-) Steifigkeit.
Die funktionelle Steifigkeit beschreibt die Fähigkeit des Fußes, auf wechselnde Lasteinträge zu reagieren und sich an unterschiedliche Bewegungsanforderungen, Untergrundbedingungen sowie Schuhmaterialien anzupassen. Sie variiert je nach motorischer Aufgabe (z. B. Laufen, Springen) und sogar innerhalb einer Stützphase. Sowohl die passive Steifigkeit der Zehengrundgelenke als auch die Maximalkraft und die neuronale Ansteuerungsfähigkeit seiner kurzen und tiefliegenden Muskeln sind die wesentlichen Komponenten der funktionellen Steifigkeit. Obwohl die Berechnung der funktionellen Steifigkeit in der Fortbewegung über invers-dynamische Ansätze zwar Optionen bietet, die Funktion des Fußes besser zu verstehen, so bleiben die oben genannten Einflussgrößen mit der Methode unzureichend überprüft. Um die Einflussgrößen der funktionellen Steifigkeit besser zu verstehen, ist es sinnvoll, den Fuß unter kontrollierten, quasi-statischen Bedingungen zu untersuchen. Hierzu wurden Messgeräte entwickelt, die sowohl die passive Steifigkeit der Zehengrundgelenke als auch die isometrische Maximalkraft und die neuronale Ansteuerungsfähigkeit der intrinsischen und extrinsischen Zehenbeugemuskeln zuverlässig erfassen. Zudem soll ein spezieller Expander vorgestellt werden, der ein systematisches Krafttraining dieser Muskelgruppe ermöglicht.
Die Bedeutung oben genannter Einflussgrößen kann für den Sport wie folgt spekuliert werden: Ein steifer, kräftiger und schnell aktivierbarer Fuß könnte die Bodenkontaktzeit verkürzen und hohe Kräfte effizient auf den Untergrund übertragen, was ein Vorteil in dynamischen Disziplinen wäre. Ein sehr weicher, schwacher und verzögert aktivierbarer Fuß würde sich hingegen stärker verformen, was mit Energieverlusten und Leistungsabfall einherginge. Besonders beim Sprint wirken in der initialen Stützphase innerhalb von nur 50 ms Kräfte bis zum Vierfachen des Körpergewichts. Ein schnell ansteuerbarer Fuß könnte in dieser Zeitspanne adäquat reagieren. Diese zügige Aktivierung könnte die Strukturen vor Überbeanspruchung (z. B. Ermüdungsfrakturen, Plantarfasziitis, Achillessehnenreizungen) schützen. Ziel der entwickelten Methoden und Geräte ist es daher, die motorische Leistungsfähigkeit im Sport gezielt zu verbessern und gleichzeitig das Risiko akuter und chronischer Fußverletzungen nachhaltig zu reduzieren.
Analyse der passiven Steifigkeit der Zehengrundgelenke
Der Fuß wird in einem Messgerät fixiert (Abb. 1), die Zehen liegen auf einer beweglichen Vorfußplatte. Der Unterschenkel wird vertikal ausgerichtet, die Testperson soll entspannen und willkürliche Muskelaktivität vermeiden. Ein Pneumatikzylinder erzeugt ein definiertes Drehmoment um die Plattenachse und bewegt die Vorfußplatte aus einer 0°- in eine 60°-Stellung (Dorsalflexion der Zehen). Die resultierende Winkeländerung wird über ein Potentiometer erfasst. Aus dem Verhältnis von aufgebrachtem Drehmoment zur Winkelveränderung wird die passive Steifigkeit normiert zur Zehenlänge berechnet.
Analyse der isometrischen Maximalkraft und der neuronalen Ansteuerungsfähigkeit der Zehenbeugemuskulatur
Der Fuß wird in einem Messgerät fixiert, der Unterschenkel ist vertikal ausgerichtet (Abb. 2, links). Die Zehen liegen auf einer Vorfußplatte, die in einem Winkel von 25° arretiert ist [8]. Über eine Umlenkrolle ist die Plattenachse mit einem Kraftaufnehmer verbunden. Die Testperson wird angewiesen, die Zehen „maximal kräftig“ nach unten gegen die Platte zu drücken. Die Kraft soll dabei kontrolliert aufgebaut und das Maximum für mindestens drei Sekunden aufrechterhalten werden. In einem weiteren Test wird die Ansteuerungsfähigkeit geprüft. Hierbei soll die Maximalkraft „so schnell wie möglich“ erzeugt werden. Die Kraftanstiegsrate wird dabei unter Berücksichtigung des Offsets über einen Zeitraum von 100 ms berechnet [9].
Systematisches Krafttraining der Zehenbeugemuskulatur
In einem speziellen Expander für den Fuß drücken die Zehen aus einer 45°-Dorsalflexion gegen den Widerstand von Gummiseilen nach unten (Abb. 2, Mitte). Die Bewegung findet um die Zehengrundgelenke statt, ein „Krallen“ der Zehen wird vermieden. Vier Gummiseilpaare mit unterschiedlichem Kraft-Dehnungsverhalten ermöglichen die Anpassung des Trainingsreizes an Trainingsstand und -fortschritt. Das Training kann stehend, sitzend oder in sportartspezifischen Unterschenkel-Fuß-Positionen (Abb. 2, rechts) durchgeführt werden.
Auswahl bisheriger Studienergebnisse
- Nicht nur in einer aktiven Normalpopulation (n = 105), sondern auch innerhalb einer homogenen Spitzensportkohorte (n = 47) unterscheiden sich die biomechanischen Eigenschaften der Füße deutlich voneinander. Weiche, schwache Füße stehen steifen, kräftigen Füßen oder weichen, kräftigen Füßen gegenüber. Steife aber schwache Füße konnten nur in Ausnahmefällen beobachtet werden [10, 11].
- Männer steuern ihre Zehenbeuger signifikant schneller an als Frauen [11] und weisen eine signifikant höhere Steifigkeit der Zehengrundgelenke auf [10].
- Die Zehenbeuger produzieren ihre höchsten Kräfte in einer leichten Dorsalflexion des Sprunggelenks und einer deutlichen Dorsalflexion der Zehengrundgelenke [8].
- Nach einem siebenwöchigen, intensiven Krafttraining erhöhen die Zehenbeuger ihren mechanischen Output um 60 – 70 %, was die sportmotorische Leistung um 3 % verbessert [12].
- Sogar Elitetänzerinnen steigern durch ein Training mit dem Expander für die Zehenbeuger ihre Kraft im Fuß um 15 % [13].
- In einer Einzelfallstudie konnte nach komplizierter Sprunggelenkfraktur und abgeschlossener Rehabilitation die Kraft der Zehenbeuger durch ein vierwöchiges Training mit einem Expander um 20 % gesteigert werden (unpublished).
Fazit und Ausblick
Die biomechanischen Eigenschaften des Fußes variieren auch unter Spitzensportlern stark und zeigen große interindividuelle Unterschiede. Dabei weisen Männer eine höhere Steifigkeit und eine schnellere neuromuskuläre Aktivierung auf als Frauen. Die oft vernachlässigte kurze und tiefliegende Fußmuskulatur ist hoch trainierbar. Gezielte Trainingsprogramme führen im Spitzensport und nach Verletzungen zu deutlichen Kraftzuwächsen. Eine erhöhte Kraftfähigkeit der Zehenbeuger könnte den Zug- und Druckspannungen an Metatarsalia, Plantarfaszie und Achillessehne entgegenwirken und so Überlastungsschäden vorbeugen. Die Wahl versteifender Schuhe oder Einlagen sollte kritisch hinterfragt werden, da die Kraft der Zehenbeuger von der Dorsalflexionsstellung der Zehen abhängt. Künftig sollen Geräte entwickelt werden, mit denen sich die Fußsteifigkeit gezielt modulieren lässt, bspw. durch Dehnapparate oder exzentrische Trainingsgeräte.
Literatur
[1] Hicks JH. The mechanics of the foot. II. The plantar aponeurosis and the arch. J Anat 1954;88:25–30.
[2] Ker RF, Bennett MB, Bibby SR, Kester RC, Alexander RMcN. The spring in the arch of the human foot. Nature 1987;325:147–9. https://doi.org/10.1038/325147a0.
[3] Behling A, Rainbow MJ, Welte L, Kelly L. Chasing footprints in time – reframing our understanding of human foot function in the context of current evidence and emerging insights. Biol Rev 2023;98:2136–51. https://doi.org/10.1111/brv.12999.
[4] Farris DJ, Kelly LA, Cresswell AG, Lichtwark GA. The functional importance of human foot muscles for bipedal locomotion. Proc Natl Acad Sci 2019;116:1645–50. https://doi.org/10.1073/pnas.1812820116.
[5] Kelly LA, Farris DJ, Cresswell AG, Lichtwark GA. Intrinsic foot muscles contribute to elastic energy storage and return in the human foot. J Appl Physiol 2019;126:231–8. https://doi.org/10.1152/japplphysiol.00736.2018.
[6] Kelly LA, Cresswell AG, Farris DJ. The energetic behaviour of the human foot across a range of running speeds. Sci Rep 2018;8:10576. https://doi.org/10.1038/s41598-018-28946-1.
[7] Riddick R, Farris DJ, Kelly LA. The foot is more than a spring: human foot muscles perform work to adapt to the energetic requirements of locomotion. J R Soc Interface 2019;16:20180680. https://doi.org/10.1098/rsif.2018.0680.
[8] Goldmann J-P, Brüggemann G-P. The potential of human toe flexor muscles to produce force. J Anat 2012;221:187–94. https://doi.org/10.1111/j.1469-7580.2012.01524.x.
[9] Maffiuletti NA, Aagaard P, Blazevich AJ, Folland J, Tillin N, Duchateau J. Rate of force development: physiological and methodological considerations. Eur J Appl Physiol 2016;116:1091–116. https://doi.org/10.1007/s00421-016-3346-6.
[10] Goldmann J-P, Wenzel C, Kersting UG. A portable device for measuring passive metatarsophalangeal joint bending stiffness. Proc DGfB 2026.
[11] Wenzel C, Kersting UG, Goldmann J-P. Rate of force development of human toe flexor muscles. Proc DGfB 2026.
[12] Goldmann J-P, Sanno M, Willwacher S, Heinrich K, Brüggemann G-P. The potential of toe flexor muscles to enhance performance. J Sports Sci 2013;31:424–33. https://doi.org/10.1080/02640414.2012.736627.
[13] Schrefl A, Schaerli A, Goldmann J-P, Erlacher D, Kolokythas N. The effect of targeted toe flexor training on muscular strength and jump performance in adolescent ballet dancers: a randomized controlled trial. J Dance Med Sci 2026. https://doi.org/10.1177/1089313X261420458.
Autoren
» Promovierter Sportwissenschaftler
» Institut für Biomechanik und Orthopädie, Deutsches Forschungszentrum für Leistungssport Köln, Deutsche Sporthochschule Köln
» Forschungsschwerpunkt: Die Funktion des menschlichen Fußes. Erfinder des Big Toe PowerPro
(Stand 2026)
