研究人员揭示了我们的腿部如何适应快速运动。当人们以高速度跳跃时,小腿中的关键肌纤维在力量增加时缩短而不是伸长,他们称之为“负刚度”。这种反直觉的过程帮助腿部变得更紧致,从而允许更快的运动。这些发现可能改善训练、康复,甚至义肢或机器人外骨骼的设计。
东京大学的研究人员揭示了我们的腿部如何适应快速运动。当人们以高速度跳跃时,小腿中的关键肌纤维在力量增加时缩短而不是伸长,他们称之为“负刚度”。这种反直觉的过程帮助腿部变得更紧致,从而允许更快的运动。这些发现可能改善训练、康复,甚至义肢或机器人外骨骼的设计。
当您跳跃、奔跑或跳高时,您的腿部就像弹簧一样,每一步吸收和返回能量。但是,为了使这一切成为可能,您的肌肉和肌腱发生了什么呢?生命科学系的副教授竹下大介和博士生栗山和树探讨了在反弹运动中,肌肉和肌腱是如何协同工作的,特别是跳跃,因为这可以作为像跑步这样的常见活动的替代指示。
“人类的运动,如跳跃和奔跑,通常被描述为弹簧-质量模型,其中腿部作为弹簧支撑着体重,在地面上反弹,”竹下说。“在我们的研究中,我们专门研究了在受限条件下的跳跃,指示参与者保持膝盖伸展并最小化地面接触时间。这些约束是至关重要的,因为它们使我们能够孤立足踝关节机械的角色,专注于被称为跖屈肌腱动力学的部分。”
通过这些研究,竹下和栗山发现肌纤维的行为因跳跃频率的不同而异。在慢速跳跃期间,肌纤维几乎保持恒定的长度。然而,在快速跳跃期间,尽管力量增加,肌纤维仍会主动缩短,表现出他们所称的负刚度。这种反直觉的行为增强了腿部的整体刚度,允许更快的运动。
“我们的发现为理解各种活动中的肌肉功能提供了一个新的框架,”栗山说。“与其将肌肉视为单纯的力量产生者,我们已经证明它们通过与肌腱的动态交互,主动调节腿部的机械特性。这种观点为运动科学、康复医学和生物力学工程的研究开辟了新的途径。”
为了进行这项研究,这对搭档首先需要整合通常不适合此类目的的不同感应设备。他们建立了一个同步测量系统,包括与运动捕捉和力量板数据同步的超声成像,以确保对应的数据点在皮肤下的事件序列正确对齐。
“超声成像部分特别要求高。在收集图像后,栗山手动对来自数千帧超声的肌纤维数据进行数字化,”竹下说。“这个过程极其耗时且劳动密集,需要对细节进行精心关注,以准确跟踪每个跳跃周期中肌纤维长度的微妙变化。研究过程中的每一个阶段都需要为独特问题设计精心的解决方案,使从数据收集到解释的整个过程成为一个重大挑战,要求技术创新和概念创造力。”
跳跃的动作帮助研究人员设计适当的观察实验,因为这一活动在空间上是自然受限的,比起其他不那么受限的活动,它的变量较少。但他们确实希望有一天将他们的想法带出实验室,走上跑道,因为这将使他们能够更一般地研究小腿肌肉如何发挥作用,推动运动员向前。这样的研究可以丰富运动员和教练从中汲取的知识,为提供更有效的训练提供帮助,这反过来也可以帮助参与康复的人。这些未来的方向将帮助弥合在简化实验室任务中观察到的基本生物力学原理与人类在日常生活和体育活动中执行的复杂、现实世界动作之间的差距。