Cơ sinh học về chuyển động của động vật

Cách các lực cơ tạo ra chuyển động: đòn bẩy của bộ xương, lò xo lưu trữ và trả lại năng lượng, và vật lý định hình cách động vật di chuyển.

Definition

Cơ sinh học về chuyển động của động vật là nghiên cứu về các lực và cấu trúc vật lý liên quan đến vận động — cách cơ hoạt động thông qua bộ xương và các yếu tố đàn hồi để vượt qua trọng lực, lực cản và quán tính và tạo ra chuyển động phối hợp — được phân tích bằng các nguyên tắc cơ học.

Scope

Chủ đề này bao gồm các cơ chế liên kết lực cơ với chuyển động toàn bộ cơ thể động vật: hoạt động của cơ trên bộ xương cứng và bộ xương thủy tĩnh như đòn bẩy, sự đánh đổi giữa lực và tốc độ, sự lưu trữ và trả lại năng lượng đàn hồi trong gân và các mô khác, và ảnh hưởng của kích thước cơ thể đến chuyển động thông qua tỷ lệ và sự tương đồng động học. Nó đề cập đến các lực mà động vật phải vượt qua và các giải pháp cấu trúc giúp chuyển động có thể thực hiện được. Phạm vi bao phủ mang tính so sánh và cơ học.

Core questions

• Bộ xương biến lực cơ thành chuyển động như thế nào?
• Động vật đánh đổi lực lấy tốc độ và phạm vi chuyển động như thế nào?
• Năng lượng đàn hồi được lưu trữ và trả lại trong quá trình vận động như thế nào?
• Kích thước cơ thể làm thay đổi cơ học của chuyển động như thế nào?

Key theories

Đòn bẩy xương và sự đánh đổi lực–tốc độ

Các cơ hoạt động qua các khớp tạo thành hệ thống đòn bẩy có hình học thiết lập sự đánh đổi giữa lực tác dụng và tốc độ cũng như phạm vi của chuyển động tạo ra, do đó tỷ lệ chi được điều chỉnh theo yêu cầu cơ học của động vật.

Lưu trữ năng lượng đàn hồi và sự tương đồng động học

Gân và các cấu trúc đàn hồi khác lưu trữ và trả lại năng lượng để làm cho vận động tiết kiệm hơn, và các lập luận về tỷ lệ như sự tương đồng động học giải thích tại sao các loài động vật có kích thước khác nhau di chuyển theo những cách tương đương về mặt hình học.

Mechanisms

Cơ bám qua các khớp để tạo thành đòn bẩy, và vị trí tương đối của điểm bám cơ và khớp quyết định liệu hệ thống ưu tiên lực hay tốc độ và chi di chuyển bao xa. Bộ xương cứng cung cấp đòn bẩy ở động vật chân đốt và động vật có xương sống, trong khi động vật thân mềm sử dụng bộ xương thủy tĩnh trong đó cơ hoạt động chống lại một khoang chứa đầy chất lỏng. Trong quá trình vận động, các cấu trúc đàn hồi như gân và lớp biểu bì căng ra và co lại, lưu trữ năng lượng khi cơ thể giảm tốc và trả lại năng lượng đó trong lần đẩy tiếp theo, giúp giảm năng lượng mà cơ phải cung cấp. Động vật phải vượt qua trọng lực trên cạn, lực cản trong nước và không khí, và quán tính của chính cơ thể chúng, và sự cân bằng của các lực này thay đổi theo kích thước cơ thể: vì khối lượng, diện tích và chiều dài tỷ lệ khác nhau, động vật lớn và nhỏ phải đối mặt với các ràng buộc cơ học khác nhau, được thể hiện bằng các định luật tỷ lệ và nguyên tắc tương đồng động học liên quan đến dáng đi của các loài động vật có kích thước khác nhau.

Clinical relevance

Phân tích cơ sinh học về chuyển động cung cấp thông tin để hiểu về dáng đi, tải trọng khớp và chi phí năng lượng của vận động, đồng thời truyền cảm hứng cho việc thiết kế các máy móc có chân và các máy móc lấy cảm hứng sinh học khác. Mục này là tài liệu tham khảo giáo dục chứ không phải hướng dẫn y tế.

History

Việc Borelli xử lý chuyển động của động vật như cơ học vào thế kỷ XVII đã đặt nền móng cho cơ sinh học, và vào thế kỷ XX, Robert McNeill Alexander và những người khác đã định lượng đòn bẩy, lưu trữ năng lượng đàn hồi và tỷ lệ vận động, trong khi các nghiên cứu về dáng đi và sự tương đồng động học đã liên hệ cơ học của chuyển động với kích thước cơ thể.

Key figures

• Robert McNeill Alexander
• Knut Schmidt-Nielsen
• Giovanni Borelli
• Thomas McMahon

Seminal works

• alexander2003
• schmidtnielsen1997
• hill2016

Frequently asked questions

Tại sao một số chi được tạo ra để tạo lực và một số khác để tạo tốc độ?

Hình học của cơ và khớp hoạt động như một đòn bẩy, và các sắp xếp tối đa hóa lực thường hy sinh tốc độ và phạm vi, do đó thiết kế chi phản ánh liệu một con vật cần sức mạnh hay sự nhanh nhẹn.

Gân làm cho chuyển động hiệu quả hơn như thế nào?

Gân hoạt động như lò xo, lưu trữ năng lượng khi cơ thể tiếp đất hoặc giảm tốc và giải phóng nó trong bước tiếp theo, do đó cơ bắp ít phải làm việc hơn và vận động tốn ít năng lượng hơn.