Se desarrolló un aparato accesible y de bajo costo para medir las relaciones fuerza–velocidad–potencia en músculos humanos, utilizando materiales económicos, un engranaje impreso en 3D, un acelerómetro de teléfono inteligente y software gratuito en Python. La validación frente a un ergómetro de referencia demostró mediciones fisiológicamente relevantes, a la vez que ofreció oportunidades equitativas de aprendizaje práctico en un entorno de aula universitaria.
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Artículo de método
Un aparato de bajo costo para medir las relaciones fuerza-velocidad muscular
En este artículo
Resumen
Resumen
La relación entre la fuerza muscular, la velocidad contráctil y la potencia representa un paradigma fisiológico con casi un siglo de antigüedad y un pilar fundamental en nuestra comprensión de la función musculoesquelética. Sin embargo, este paradigma rara vez se estudia directamente en las aulas de fisiología y biomecánica debido al costo prohibitivo del equipo necesario. Este estudio tuvo como objetivo diseñar y validar un aparato de bajo costo que utiliza un sistema de poleas impreso en 3D, que incorpora un mecanismo de trinquete y pawl, fácil de construir y configurar, para recopilar datos de fuerza–velocidad–potencia de los músculos de los dedos humanos mediante el acelerómetro de un teléfono inteligente y la aplicación gratuita Phyphox. Un script personalizado en Python convierte las mediciones brutas del acelerómetro en salidas de velocidad y potencia, que luego se comparan, sujeto por sujeto, con las mediciones obtenidas mediante un sistema de palanca de modo dual considerado estándar de oro. Las comparaciones por pares de cinco variables resumen (fuerza máxima, Fmax; velocidad máxima, Vmax; potencia máxima, Pmax; velocidad óptima, Vopt; y curvatura de la relación fuerza–velocidad, a/Fmax) no revelaron diferencias estadísticamente significativas entre los datos de fuerza–velocidad–potencia recopilados con ambos aparatos (pruebas t pareadas, p > 0.05). Por lo tanto, sin una reducción significativa en la calidad de los datos, el aparato económico ofrece un medio accesible, seguro y rentable para enseñar y estudiar principios biomecánicos y fisiológicos. Este dispositivo tiene el potencial de democratizar la educación en fisiología muscular y biomecánica, especialmente en entornos educativos con escasos recursos y financiación limitada en todo el mundo.
Introducción
El músculo estriado es el motor que genera el movimiento esquelético en humanos y otros animales. Comprender su composición jerárquica única es complicado por factores multiscale que influyen en la generación de fuerza y en la producción de trabajo1,2. Quizás debido a estas complejidades, la función muscular puede ser un componente poco priorizado en los planes de estudio de anatomía y fisiología, ya que los educadores carecen de las herramientas necesarias para mostrar adecuadamente los aspectos más fundamentales y fascinantes de la función muscular3,4
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Protocolo
Todos los experimentos que constituyen la base de esta publicación fueron aprobados por el Comité de Revisión Institucional de la Universidad de Massachusetts Lowell (Protocolo N.º 21-163-KON-XPD).
NOTA: El aparato utiliza un teléfono inteligente suspendido con cargas externas mediante un sistema de poleas impreso en 3D. Los datos de aceleración se recopilan a 100 Hz utilizando una aplicación de adquisición de datos basada en un teléfono inteligente. La fuerza se calcula multiplicando la masa combinada del teléfono inteligente y la carga externa por la aceleración. La velocidad se obtiene integrando la aceleración, y la potencia se calcula ....
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Resultados
Se recopilaron datos de fuerza-velocidad y potencia-velocidad de una muestra de estudiantes universitarios (N = 15) utilizando tanto el ergómetro estándar como el aparato de bajo costo, para evaluar las salidas funcionales de cada sistema bajo un protocolo experimental idéntico. Los datos individuales de los sujetos se muestran en la Figura 1, y los datos resumidos para cada aparato se presentan en la Figura 3.
El aparato de bajo cost.......
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Discusión
Se validó un aparato de bajo costo como alternativa a los ergómetros de referencia para medir las relaciones fuerza-velocidad y potencia-velocidad de los músculos humanos en el aula.
Los resultados de validación respaldan la afirmación de que un aparato de bajo costo, y por lo tanto más accesible econémica y tecnológicamente, puede generar mediciones estadísticamente indistinguibles de las obtenidas mediante un ergómetro de referencia. La capacidad del aparato de bajo costo para generar relaci.......
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Divulgaciones
Los autores no tienen divulgaciones que declarar.
Agradecimientos
Los autores agradecen a los estudiantes inscritos en Biología del Músculo (UML BIOL4890, 2023–2025) y a los estudiantes de la escuela secundaria Lawrence (Lawrence, MA) por participar en el proyecto final que sirvió como base para esta tesis de honor (GC). Asimismo, agradecen a Matthew Borokowski de Aurora Scientific por su constante apoyo, y a Victoria Flint y Samuel DeLap por sus esfuerzos iniciales en el desarrollo y despliegue del módulo de flexores de los dedos para el curso de UML. Los autores también agradecen a Daniel Bartlett y Darrell La por su ayuda con los enfoques de análisis. Financiado por una beca del Honors College de UMass Lowell (para GC), por ....
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Pesas de 1,25 kg | NEXO Fitness | ASIN: B09JHQ6QB8 | Se pueden sustituir por pesas genéricas de aproximadamente 1-2 kg cantidad necesaria: 2 |
| Cinta de impresora 3D | Cinta para impresora 3D de 10 m | ASIN: B08974S1CC | Se puede sustituir por cintas dentadas genéricas para impresora 3D: paso de 2 mm, ancho de 6 mm, fabricadas en caucho y fibra de vidrio cantidad necesaria: 1 |
| 3DPart1 - Engranaje interno | N/A | N/A | Ver STLs complementarios: imprimir en ABS cantidad necesaria: 1 |
| 3DPart2 - Engranaje externo | N/A | N/A | Ver STLs complementarios: imprimir en ABS cantidad necesaria: 1 |
| 3DPart3 - Llave | N/A | N/A | Ver STLs complementarios: imprimir 3-5 veces en ABS cantidad necesaria: 1 |
| 3DPart4 - Portafuerza | N/A | N/A | Ver STLs complementarios: imprimir en PLA cantidad necesaria: 1 |
| Viga de aluminio larga | 80/20 inc | 1020 | 1 in x 2 in x 32 in cantidad necesaria: 1 |
| Viga de aluminio corta | 80/20 inc | 1010 | 1 in x 1 in x 12 in cantidad necesaria: 2 |
| Fijador para marco de aluminio / Tornillo de seguridad | 80/20 inc | 4108 | cantidad necesaria: 3 |
| Soporte para brazo | FEATOL | ASIN: B0CGX8QZ3C | Se puede sustituir por un soporte para brazo genérico cantidad necesaria: 1 |
| Bloque de policloruro de vinilo celular para reposabrazos | Azek board | 8/4 X Thickness Traditional Only | 14 in x 6 1/2 in x 3/4 in cantidad necesaria: 14 |
| Mosquetones | Rewoalzx | ASIN: B0FB3VYV3N | cantidad necesaria: 2 |
| Rodamientos de bolas de acero aleado cromado | uxcell | UXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJ | Dimensiones: diámetro interno 10 mm, diámetro externo 22 mm, ancho 6 mm. cantidad necesaria: 1 |
| Excel/Hoja de cálculo | Microsoft | Excel | Se puede sustituir por cualquier software de hoja de cálculo cantidad necesaria: 1 |
| Soporte para dedo | Sopito | ASIN: B0B5C6RWR4 | Se puede sustituir por un soporte para dedo genérico cantidad necesaria: 1 |
| IGOR 8 PRO | Wavemetrics.com | 8 PRO | Se utiliza con los aparatos de Aurora Scientific y para el cálculo de a/Fmax. cantidad necesaria: 1 |
| Panel grande de policloruro de vinilo celular | Azek board | 8/4 X Thickness Traditional Only | 6 3/4 in x 7 in x 3/4 in cantidad necesaria: 2 |
| Eje metálico | Generic | ASIN: B0CC8T8X77 | Varilla de acero de 9,97 mm de grosor y 45 cm de largo. cantidad necesaria: 1 |
| Alambre de acero multitorzado | Catch All Tackle | ASIN: B00JTWDSQS | Diámetro de 1,4 mm, resistencia nominal de 400 lb cantidad necesaria: 2 |
| Soporte para teléfono | Tribe | ASIN: B00SXRXUFE | cantidad necesaria: 1 |
| Aplicación Phyphox | Phyphox.org | N/A | Descargar desde Apple App Store o Google Play Store cantidad necesaria: 1 |
| Script de Python | N/A | N/A | Se puede descargar: Documento complementario 1 muscle_velocity_gui.py cantidad necesaria: 1 |
| Panel pequeño de policloruro de vinilo celular | Azek board | 8/4 X Thickness Traditional Only | 1 in x 3 1/4 in x 3/4 in cantidad necesaria: 1 |
| Smartphone | Apple | IPhone 11 | Se puede sustituir por cualquier smartphone con acelerómetro cantidad necesaria: 1 |
| Abrazaderas para alambre de acero | Catch All Tackle | ASIN: B00JTWDSQS | Resistencia nominal de 400 lb cantidad necesaria: 6 |
| Taponadores | Befenybay | ASIN: B0B1C6BPKQ | diámetro interno 10 mm, diámetro externo 20 mm, ancho 20 mm cantidad necesaria: 2 |
Referencias
- Hill AV. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc Lond B Biol Sci. 1938;126:136-195.
- Huxley AF. Muscle structure and theories of contraction. Prog Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
- Seow CY. Hill's equation of muscle performance and its hidden insight on molecular mechanisms. J Gen Physiol. 2013;142:561-573.
- Alcazar J, Csapo R, Ara I, Alegre LM. On the shape of the force-velocity relationship in skeletal muscles: the linear, the hyperbolic, and the double-hyperbolic. Front Physiol. 2019;10:769.
- Huxley AF, Simmons RM. Proposed mechanism of force generation in striated muscle. Nature. 1971;233:533-538. ....
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Reimpresiones y permisos
