用新模型发现游泳动物运动的常见肌肉控制模式

佐治亚理工学院鳟鱼,鳗鱼和鲑鱼蜥蜴等游泳运动员的共同点是什么

根据一项新研究,这些动物用于收缩肌肉并产生波动游泳运动的类似时间模式可以用一个简单的模型来解释科学家们现在应用这个新模型来理解电信号和身体运动之间的联系

大多数游泳生物依靠波动的身体运动模式来推动自己通过流体虽然身体灵活性的差异可能导致不同的游泳风格,科学家们发现几乎所有游泳运动员都有“神经机械相位滞后”这些滞后的特征是肌肉波动沿着身体弯曲的波浪传播速度比身体弯曲的波浪更快的活动研究沙鱼蜥蜴 - 通过沙子“游泳” - 导致新模型的发展,研究人员认为这也可用于研究其他游泳动物超越协助研究各种动物的运动,这些发现也可以帮助研究人员设计高效的游泳机器人“我们小组的一名研究生,现在在南加州大学的杨鼎,能够开发出一种理论,可以解释这种动物如何游动的运动学以及神经系统的时间安排控制信号,“佐治亚理工学院物理学院副教授丹尼尔戈德曼说

”对于使用起伏运动在体液中游动的动物,他们必须如何激活肌肉有基本的身体限制我们认为我们已经发现了这种游泳管理的一个重要机制“这项研究于6月3日在美国国家科学院期刊论文集的早期版本中报道

它由美国国家科学基金会生命系统物理学项目,微自治系统和技术赞助

陆军研究办公室的(MAST)计划,以及Burroughs Wellcome Fund的不规则运动是一个步伐,其中推力是从身体弯曲的行波中产生相反的方向由于它是动物常用的,这种运动模式已被广泛用于研究运动的神经机械原理Sarah Sharpe,该论文的第二作者和乔治亚理工学院的研究生跨学科生物工程计划,领导实验室实验研究海鱼蜥蜴的波动游泳她用X射线成像来观察动物如何游过由微小玻璃球组成的沙子同时他们的游泳动作被跟踪,一组四根头发植入蜥蜴体内的电极提供了肌肉何时被激活的信息

这两个信息来源让研究人员将电肌肉活动与蜥蜴的身体运动进行比较“蜥蜴传播一波肌肉激活,收缩肌肉首先接近他们的头部,然后是他们的中点的肌肉身体,然后他们的尾巴,“夏普说道

”他们向他们的身体发出一股收缩肌肉的波浪,这会形成一个曲率波,让他们游泳

这种激活的波浪比身体的曲率波传播得更快,导致不同的时间关系,称为相位差,在肌肉收缩和沿着身体弯曲之间“当沙鱼游过它时,沙子就像摩擦液一样然而,游过沙子的沙鱼比在水中游泳的鱼更容易塑造因为沙子缺乏旋涡和水的其他复杂行为 - 沙子的摩擦消除了惯性“从理论上讲,很难计算出在真实液体中作用于鱼或鳗鱼的所有力,”高曼说“但是对于sandfish,你可以计算几乎所有的东西“系统的相对简单性让研究团队 - 包括乔治亚理工学院教授Kurt Wiesenfeld - 开发一个简单的模型显示肌肉激活如何与运动相关模型显示,将来自蜥蜴身体远处点的同步扭矩与局部行进扭矩相结合是造成神经机械相位滞后的原因“这是最简单的,如果不是最简单的,游泳模型再现神经机械相位滞后现象,“夏普说 “我们真正需要注意的是外部力量作用于动物的身体我们意识到这种时间关系会出现在任何波动的动物身上,沿着身体分布着力量理解这个概念可以作为开始理解时间模式的基础在所有其他游泳运动员“沙鱼游泳使用简单的单周期正弦波,恒定幅度一个关键的发现促进了模型的发展是沙鱼的身体非常灵活,允许内力 - 身体僵硬 - 被忽略”这种动物转身好像有点跛行的面条,“Goldman说道

”理论上的结果让其他一切都突然出现“模型显示,沙鱼使用的波形应该允许它以最少的能量消耗游泳最远的游泳机器人因此采用相同的波形应该能够最大限度地扩大他们的范围

高盛和他的同事们一直在努力六年多来,沙鱼一直是非洲沙漠中的沙鱼,“沙鱼是所有挖沙者,游泳者和穴居者的冠军之一”,高曼说:“这只蜥蜴为我们提供了一个有趣的游泳入口点,因为它环境非常简单,行为很简单事实证明,这个小沙子居民可以告诉我们更普遍的游泳方式“ - 网上:

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