立即发布
对人和动物行走、奔跑、跳跃和跳跃方式的简单机械描述将整条腿的行为比作弹簧或弹簧高跷。
但到目前为止，还没有人用类似弹簧的肢体行为这一相当简单的物理原理来描绘人体复杂的生理机能——在运动时包括多块腿部肌肉——跨越臀部、膝盖和踝关节的肌腱，身体的重量，以及来自大脑的控制信号。
北卡罗来纳州立大学(North Carolina State University)的研究人员利用一个类似“阿凡达”(Avatar)的生物机器人运动系统，将真实的肌肉和肌腱与计算机控制的神经刺激器结合起来，作为阿凡达的脊髓，他们在理解腿部以上运动方面取得了巨大的飞跃。这些发现可以帮助创造出将人类和机器融合在一起的机器人设备，以帮助人类运动。
尽管涉及到复杂的生理学，北卡罗来纳州生物医学工程师Greg Sawicki和坦普大学博士后研究员Ben Robertson表明，如果你知道踝关节主要肌肉肌腱单位的质量、刚度和杠杆，你可以预测神经控制策略，将导致类似弹簧的行为。
“我们试图构建运动从下到上,从一个肌肉肌腱单位开始,运动的基本电源在所有的事情,”Greg Sawicki说,副教授在北卡罗莱纳州和UNC-Chapel山联合生物医学工程系和发表的一篇论文的作者之一美国国家科学院院刊这就是工作的描述。“我们将肌肉肌腱单元连接到定制机器人界面内的马达上，该机器人界面旨在模拟肌肉肌腱单元在腿部的‘感觉’，然后用电刺激肌肉，使其在工作台上进行收缩。”
研究人员表示，共振调谐很可能是运动过程中弹性腿行为背后的机制。也就是说，电子系统——在这里是身体的神经系统——驱动机械系统——腿部的肌肉肌腱单位——以提供最大的有效输出功率的频率。
Sawicki把共振调谐比作与玩具互动。“当你让它很好地摆动时，你几乎不需要移动你的手——重要的是相互作用力的时间。”
“在运动中，共振来自调节神经系统和腿部之间的相互作用，使它们协同工作，”Sawicki说。“事实证明，如果我知道一个肌肉肌腱单位的质量、杠杆和刚度，我就能准确地告诉你，我应该刺激它多少次，让它产生类似弹簧的、有弹性的共振。”
这些发现的设计意义与为健全的人设计外骨骼，以及为行动障碍的人设计外骨骼或假体系统有关。
“最后，我们发现在简单机械系统中控制共振的简单基本原理同样适用于这些异常复杂的生理系统，”该论文的通讯作者罗伯逊说。
该项目由美国北卡罗来纳州立大学和美国-以色列两国科学基金会提供资助，批准号为2011152。
- kulikowski
“不受约束的肌腱工作环表明共振调谐是陆地运动中弹性肢体行为的一种机制”
作者: Benjamin D. Robertson和Gregory S. Sawicki，北卡罗莱纳州立大学
发表: 2015年10月12日当周上线美国国家科学院院刊
DOI: 10.1073 / pnas.1500702112
摘要在陆地运动中，所观察到的弹簧般的肢体力学和驱动它们出现的生理系统之间缺少一环。先前对跳跃步态(如步行、跑步、跳跃)的建模和实验研究确定了肌肉-肌腱的相互作用，这些相互作用将大量的能量循环到串联肌腱中，作为弹性肢体行为的来源。然而，这些调整机制的神经、生物力学和环境起源仍然是难以捉摸的。为了研究这些因素之间的动态相互作用，我们开发了一个由反馈控制的伺服电机耦合到生物肌腱的实验平台。运动控制器模拟了肌肉在陆地运动过程中经历的体内惯性/重力载荷，并通过刺激完整的神经施加肌肉激活的节律模式。这种方法是基于经典的工作环研究，但避免了预定模式的肌肉劳损和激活约束，在现实世界的运动中没有施加。我们的无约束位置控制方法允许观察神经控制、活动肌肉和系统材料/惯性特性的动态相互作用所产生的突发性肌肉-肌腱力学。该研究表明，尽管肌肌腱系统具有复杂的非线性性质，但在潜在生物力学系统的被动自然频率下，周期性肌肉收缩会产生最大的力和从先前存储在系列顺应性组织中的弹性能量中恢复的机械功。通过将运动频率匹配到被动生物力学系统的固有频率(即共振调谐)，肌肉-肌腱的相互作用导致弹簧般的行为自然出现，而无需闭环神经控制。这个概念框架可以解释陆地运动中弹性肢体行为的基础。
