הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

מכשיר בעלות נמוכה למדידת קשרי כוח-מהירות של שרירים

140 צפיות

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 באוגוסט 2026

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

במאמר זה

סיכום

פותח מכשיר נגיש וזול למדידת יחסי כוח-מהירות-הספק בשריר אנושי, תוך שימוש בחומרים זולים, גלגל שיניים המודפס בתלת-ממד, מד תאוצה (accelerometer) של סמארטפון ותוכנת פייתון (Python) חופשית. תיקוף מול ארגומטר המהווה סטנדרט זהב הראה מדידות רלוונטיות מבחינה פיזיולוגית, תוך אספקת הזדמנויות למידה מעשיות ושוויוניות במסגרת כיתת תואר ראשון.

תקציר

הקשר בין כוח השריר, מהירות הכיווץ וההספק מהווה פרדיגמה בתחום הפיזיולוגיה מזה כמעט מאה שנה ואבן יסוד בהבנתנו את התפקוד השריר-שלדי. עם זאת, פרדיגמה זו נלמדת לעיתים רחוקות באופן ישיר בכיתות לפיזיולוגיה וביומכניקה בשל העלות המגבילה של הציוד הנדרש. מחקר זה ביקש לתכנן ולתקף מכשיר בעלות נמוכה המשתמש במערכת פוליים מודפסת בתלת-ממד, הכוללת גלגל שיניים עם רצוף (ratchet-and-pawl), שניתן להרכיבו ולהגדירו בקלות לאיסוף נתוני כוח–מהירות–הספק משרירי האצבע האנושיים באמצעות מד תאוצה של סמארטפון ובסיוע האפליקציה החינמית Phyphox. סקריפט Python מותאם להמיר את מדידות מד התאוצה הגולמיות לנתוני מהירות והספק, אשר הושוו לאחר מכן עבור כל נבדק למדידות שהתקבלו באמצעות מערכת מנוף דו-מצב (dual-mode lever system) שנחשבת לסטנדרט הזהב. השוואות זוגיות של חמישה משתני סיכום (כוח שיא, Fmax; מהירות שיא, Vmax; הספק שיא, Pmax; מהירות אופטימלית, Vopt; ועקומת כוח-מהירות, a/Fmax) לא גילו הבדלים מובהקים סטטיסטית בין נתוני הכוח-מהירות-הספק שנאספו באמצעות שני המכשירים (מבחני t מזווגים, p > 0.05). לפיכרון, ללא פגיעה משמעותית באיכות הנתונים, המכשיר הזול מציע אמצעי נגיש, בטוח וכלכלי להוראה ולמחקר של עקרונות ביומכניים ופיזיולוגיים. למכשיר זה יש פוטנציאל להנגיש את החינוך לפיזיולוגיה של השריר ולביומכניקה, במיוחד במסגרות חינוכיות עם תסביג תקציבי ומשאבים מוגבלים ברחבי העולם.

מבוא

שריר מפסול הוא המנוע המניע את התנועה השלדית בבני אדם ובבעלי חיים אחרים. הבנת ההרכב ההיררכי הייחודי שלו מסובכת בשל גורמים רב-קנימיים המשפיעים על יצירת כוח והפקת עבודה1,2. ייתכן שבשל מורכבויות אלו, תפקוד השריר הופך למרכיב שאינו מקבל עדיפות מספקת בתוכניות הלימודים של האנטומיה והפיזיולוגיה, מכיוון שחסרים למחנכים הכלים הדרושים כדי להציג כראוי את ההיבטים הבסיסיים והמרתקים ביותר של תפקוד השריר3,4,5,6.

תפקוד השרירים תואר היסטורית באמצעות מספר פרדיגמות עמידות, ששumen מהן מוכרת יותר מאשר הפשרה בין כוח למהירות (force–velocity trade-off), שאופיינה לראשונה לפני כמעט מאה שנה על ידי ארצ'יבולד ויוויאן היל1,2,3,4,5,6. קשר פיזיולוגי בסיסי זה מתאר את הפשרה בין מהירות התכווצות השריר לבין הכוח, כאשר התכווצויות איזומטריות או התכווצויות קיצור איטיות מאוד הן בדרך כלל החזקות ביותר, ומפיקות את כוח השריר השיא (Fmax), בעוד שהתכווצויות איזוטוניות מהירות המתקרבות למהירות השריר השיא (Vmax) הן בדרך כלל החלשות ביותר1. כאשר היל תיאר את הקשר בין כוח, מהירות והספק (FVP) בשנת 1938, הוא הציג פונקציה שעדיין נושאת את שמו. משוואת היל (משוואה 1) מקשרת בין הכוח השיא שנוצר במהלך התכווצות איזומטרית (עם קצות שריר קבועים) לבין המהירות השיא שמושגת בהיעדר עומס חיצוני.

משוואה 1: (v + b) (F + a) = b (Fmax + a)

כאשר v היא מהירות הקיצור, F הוא כוח השריר, Fmax הוא הכוח האיזומטרי המקסימלי, ו-a ו-b הם קבועים המתארים את הקשר בין כוח למהירות ואת התכונות האנרגטיות של קיצור השריר1.

בתוך קשר יסודי זה טמועים מספר מושגי מפתח של תפקוד השריר, המיוצגים על ידי חמישה פרמטרים כמותיים המגדירים את קשר ה-FVP. המכפלה של כוח השריר הרגעי והמהירות היא ההספק, אשר בדרך כלל מגיע לערך מקסימלי (Pmax) בערך בשליש מ-Vmax7. המהירות שבה מופיע Pmax מכונה המהירות האופטימלית (Vopt), ומיקומה בטווח מהירויות הקיצור (מ-V0 ועד Vmax) הוא מאפיין חשוב של קשרי כוח–מהירות והספק–מהירות. לדוגמה, Vopt גבוה יותר גורם לכך שהספק השיא יסופק במהירות קיצור גבוהה יותר. בתוך קשר הכוח–מהירות עצמו, כוח השיא (Fmax) ומהירות השיא (Vmax) מקושרים על ידי קשרי כוח–מהירות ביניים באופן עקמומי (איור 5A). קשרי כוח–מהירות והספק–מהירות מייצגים שהתקבלו באמצעות המתודולוגיה הנוכחית מוצגים ב-איור 1. השיפוע של עקומה זו מכונה עקמומיות הכוח–מהירות, המתארת את קצב הירידה בכוח עם עליית המהירות. העקמומיות מוגדרת כ-a/Fmax8, כאשר a הם הקבועים התרמודינמיים במשוואת היל (Hill equation) המכמתים את ייצור חום החיכוך על ידי שריר מתקצר ללא עומס1. העקמומיות משפיעה על מיקומו של Vopt על עקומת הכוח–מהירות וקובעת כמה כוח שריר יכול לייצר במהירות קיצור נתונה. העקמומיות תוארה גם באמצעות יחס ההספק השרירי (משוואה 2)9.

משוואה 2:  משוואה של יחס נצילות, Pmax/vmax*Fmax, עבור ניתוח מערכות מכניות.

כאשר Pmax הוא תפוקת ההספק השרירית המקסימלית, ו-Vmax ו-Fmax הם מהירות ההתקצרון המקסימלית והכוח האיזומטרי המקסימלי, בהתאמה.

הטבע האינטואיטיבי של מערכות היחסים בין כוח-מהירות והספק-מהירות מספק נקודות כניסה יעילות להוראת תפקוד השרירים בכיתות למדעי החיים. החשיבות של מתן הזדמנויות מעשיות לסטודנטים כדי לבנות הבנה מלאה יותר של מערכות יחסי ה-FVP מודגשת על ידי העובדה שלמידה מעשית הוכחה כמשפרת את שימור הידע10. יתרה מכך, ידוע כי למידה ניסוית מחזקת את הבסיס להערכת תפקוד השרירים, הן בהקשר מדעי בסיסי והן כהכנה למקצועות בתחום הבריאות, כולל מניעת פציעות, שיקום ואימון גופני.

מכשירים מסורתיים לבדיקת תכונות פיזיולוגיות של שרירים, כגון מערכות מנועי סרוו בעלות מנוף בשני מצבים, הם מדויקים מאוד אך כרוכים בעלויות גבוהות, ולכן מהווים חסמים משמעותיים ליישום ברוב סביבות הלמידה בכיתות7. כדי להתגבר על מגבלות אלו ולהרחיב את ההזדמנויות ללמידה מעשית, פותחה חלופה בעלות נמוכה. המכשיר בנוי סביב גלגלת בהדפסת תלת-ממד הכוללת גלגל שיניים מסוג ratchet-and-pawl, ומשתמש במסילות אלומיניום חרוצות זמינות, חוט קשיח וסמארטפון המותקן על מעמד ומריץ אפליקציה חינמית לאיסוף נתונים (איור 2). סמארטפון נבחר במקום מכשירים ייעודיים למדידת תאוצה מכיוון שסמארטפונים נפוצים מאוד ובדרך כלל מצוידים במד תאוצה (accelerometer) מדויק ואמין11. התועלת של סמארטפונים כמכשירי מדידה מדעיים הודגמה בעבר, כולל שילוב של מד תאוצה של סמארטפון הזמין מסחרית ביחידת המדידה האינרציאלית של מסוק המאדים Ingenuity12.

בעוד שקיימים מספר כלים זולים להוראת פיזיולוגיה של השריר, הם מתמקדים במושגים שונים: Judge et al.6 פיתחו פעילויות משתלמות המבוססות על SpikerBox להקלטת פעילות חשמלית של שרירים, ו-Medeiros et al.10 יצרו מודל סרקומר דו-ממדי בעלות נמוכה להדגמת מכניקה הקשורה לטיטין. עם זאת, אף כלי זול קיים אינו מאפשר לסטודנטים למדוד ישירות את קשרי ה-FVP של שריר אנושי מכווץ ולהפיק נתונים כמותיים הניתנים להשוואה למחקרים. המכשור הנוכחי נועד למלא פער זה על ידי אספקת מדידות FVP המהוות תקן זהב (gold-standard) בעלות של פחות מ-300$.

המחקר הנוכחי מדווח על בניית מכשיר FVP בעלות נמוכה עם תיקוף צולב אל מול התקן התעשייתי המוביל. ניתוחי התיקוף מתבססים על השוואות זוגיות של חמשת משתני הסיכום המוכרים של FVP, שנמדדו באותם נבדקים בשני המכשירים. הניתוחים בוחנים את ההשערה ששני המכשירים מייצרים עקומות כוח-מהירות ועקומות הספק-מהירות שוות. עם תיקוף צולב מוצלח, המכשיר בעלות הנמוכה יכול להנגיש למסות רחבות יותר מחקרים בכיתה על פיזיולוגיה של השריר וביומכניקה של השלד והשרירים על ידי הנמכת החסם הכלכלי לרכישת המכשיר, תוך שמירה על דיוק ניסויי ובכך על קפדנות מדעית. צפוי כי המכשיר בעלות הנמוכה יוכל להוות השראה ולאפשר לסטודנטים ומחנכים בכיתות לפיזיולוגיה וביומכניקה ברחבי העולם, שכבר לומדים ומלמדים אנטומיה של השריר, לחקור באופן מעשי את אחד היחסים הבסיסיים ביותר של השריר. על ידי הכללת פעילות מעשית להפקת מדידות פיזיולוגיות, כיתות הלימוד יכולות להשיג הבנה רב-מודלית ושיפור בשימור הידע.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

כל הניסויים המהווים את הבסיס לפרסום זה אושרו על ידי הוועדה המוסדית לביקורת (IRB) באוניברסיטת מסצ'וסטס לוול (פרוטוקול מס' 21-163-KON-XPD).

הערה: המכשיר משתמש בסמארטפון התלוי באמצעות משקולות חיצוניות ממערכת גלגלות הודפסת בתלת-ממד. נתוני תאוצה נאספים בתדר של 100 Hz באמצעות אפליקציה לרכישת נתונים המותקנת בסמארטפון. הכוח מחושב על ידי הכפלת המסל המשותף של הסמארטפון והמשקולת החיצונית בתאוצה. המהירות מתקבלת באמצעות אינטגרציה של התאוצה, וההספק מחושב כמכפלת הכוח במהירות (קובץ קידוד משלים 1).

1. הרכבת המכשור

  1. חבר שתי קורות אלומיניום קצרות לצדו התחתון של קורת אלומיניום ארוכה אחת באמצעות מחברי מסגרת מאלומיניום. מקם את הקורות הקצרות במרחק של כ-8 cm מכל קצה של הקורה הארוכה כדי ליצור בסיס יציב שאינו גמיש.
    הערה: הרכיב המורכב זה יכונה להלן המסגרת.
  2. בנה את תושבת הגלגלת
    1. מקם בלוק גדול של polyvinyl chloride תאי עם הצד של 7 in מוכוון אנכית והצד של 6.75 in מוכוון אופקית.
    2. מדוד 2.75 in מהפינה השמאלית התחתונה לאורך הקצה השמאלי וסמן את המיקום.
    3. מדוד 2.75 in מהפינה השמאלית העליונה לאורך הקצה העליון וסמן את המיקום.
    4. שרטט קו ישר המחבר בין שני המיקומים המסומנים.
    5. גזור לאורך הקו המסומן והסר את החלק המשולש שנוצר.
    6. קדח חור בקוטר 7/16 in במרחק של 1.25 in מהפינה הימנית העליונה.
    7. חזור על שלבים 1.2.1–1.2.6 עבור הבלוק הגדול השני.
    8. מקם את בלוק ה-polyvinyl chloride התאי הקטן מאחורי המסגרת.
    9. אבטח את שני הבלוקים הגדולים לבלוק הקטן כך שיהיו במרחק של 8 in זה מזה. כוון את החתכים האלכסוניים מעל הבלוק הקטן ומקם את החורים שנקדחו מעבר לקצה של הבלוק הקטן.
  3. הדק את תושבת הגלגלת בבטחה לפינת שולחן או דלפק.
    הערה: מקם את התושבת כך שהגלגלת תבלוט מעבר לקצה השולחן. הדבר מונע מהמשקולות התלויות ומהסמארטפון לבוא במגע עם רגלי השולחן במהלך הכיווצים.
  4. בנה וחבר את משענת הזרוע
    1. גזור את בלוק משענת הזרוע מ-polyvinyl chloride התאי באורך 14 in לשלושה חלקים: שני קטעים של 1.5 in וקטע אחד של 3.5 in.
    2. גזור חריץ של 2 in x 1/8 in במשטח העליון של כל אחד מהקטעים הקטנים, כאשר החריץ ממוקם במרחק של 1 in מהקצה הקדמי.
    3. אבטח את הקטעים הקטנים לצדו התחתון של הקטע הגדול בכל קצה. יישר את החריצים זה עם זה.
    4. כסה את המשטח העליון של הקטע הגדול בסרט סקוץ' (hook-and-loop fastener tape).
    5. השחל את רצועת האמה דרך שני החריצים.
    6. חבר את משענת הזרוע למסגרת באמצעות ברגים ואומים מסוג T-nuts. מקם את משענת הזרוע במרחק של 14 in מתושבת הגלגלת, כאשר רצועת האמה פונה הרחק מהגלגלת.
  5. הכנס מיסבים כדוריים לחריצים של רכיבי גלגל השיניים הפנימי וגלגל השיניים החיצוני (Supplemental File 1).
  6. השחל 40 cm של רצועת תזמון (timing belt) דרך החריץ הצדי של רכיב גלגל השיניים הפנימי. צור לולאה עם חפיפה של 2 cm ואבטח את החפיפה בתוך החריץ.
  7. השחל את הציר המתכתי דרך תושבת הגלגלת השמאלית, מעצור, רכיב גלגל השיניים הפנימי, רכיב העברת הכוח, רכיב גלגל השיניים החיצוני, מעצור שני ותושבת הגלגלת הימנית.
    הערה: כוון את החריץ הצדי של גלגל השיניים הפנימי לעבר המסגרת. מקם את שני המעצורים במרחק של 1 mm מכל צד של מכלול הגלגלת.
  8. התקן שני מעצורים נוספים על הציר, תוך מיקום כל מעצור במרחק של 1 mm מתושבות הגלגלת כדי למנוע תנועה צידית.
  9. השחל לולאה של 40 cm של חוט פלדה רב-גידי דרך תומך האצבע ואבטח אותה באמצעות כלי מיכועס (crimp). השחל את הקצה opposite דרך Carabiner A ואבטח אותו באמצעות מיכועס שני.
    הערה: Carabiners A ו-B זהים ומסומנים רק לצורך זיהוי במהלך ההרכבה.
  10. חבר את רכיב גלגל השיניים הפנימי ל-Carabiner A באמצעות רצועת התזמון המחוברת. אבטח את החפיפה באמצעות Key A.
    הערה: Keys A, B ו-C זהים. ניתן להדפיס מפתחות נוספים מכיוון שהם תוכננו כרכיבים מתכלים שנשברים לפני שחלקים אחרים של המכשיר ניזוקים.
  11. צור לולאה של 10 cm של חוט פלדה רב-גידי סביב Carabiner A ואבטח אותה באמצעות מיכועס. השחל את הקצה opposite סביב מחבר מסגרת מאלומיניום, כעס את החוט ואבטח את המחבר למסגרת.
    הערה: הרכיב המורכב זה יכונה להלן בורג הבטיחות.
  12. צור לולאה באמצעות 40 cm של רצועת תזמון עם חפיפה של 2 cm והכנס את הלולאה לתוך Key B. השחל את הקצה opposite סביב Carabiner B ואבטח את החפיפה באמצעות Key C.
  13. הכנס את Key B לשכבה הגדולה ביותר של רכיב גלגל השיניים החיצוני.
  14. חבר את מחזיק רצועת הזרוע לסמארטפון ל-Carabiner B באמצעות לולאת רצועת הזרוע או פתחי כבלי האוזניות.
  15. תלה את משקל ההתחלה הרצוי מ-Carabiner B באמצעות חוט פלדה מקוצע בצורת לולאה.

2. הגדרות לרכישת נתונים

  1. התקינו את אפליקציית רכישת הנתונים בטלפון חכם המצויד במד תאוצה (accelerometer).
  2. פתח את ה- תאוצה (ללא g) מודול
  3. הנח את הסמארטפון במחזיק השריאן המחובר לקראבינר B.
  4. אסוף נתונים בהתאם לסעיף 3.
  5. ייצא את הנתונים שהוקלטו כקובץ .xls. הקצב שם קובץ ייחודי התואם למשתתף.
  6. העבירו את קובץ ה-.xls למחשב עם גישה לאינטרנט.
  7. עבד את הנתונים באמצעות קובץ קידוד משלים 1
    הערה: הסקריפט מחשב את המהירות באמצעות אינטגרציית אוילר קדימה (forward Euler integration) של התאוצה האנכית הנמדדת (משוואה 3). המיקום מחושב באמצעות משוואת קינמטיקה של תאוצה קבועה (משוואה 4). החישובים מתבססים על ערכי תאוצה גולמיים ללא החלקה או סינון.
    משוואה 3: vi = vi-1 + ai ∆ת
    משוואה 4:  משוואת תנועה בפיזיקה: \( p_i = p_{i-1} + v_{i-1} \Delta t + \frac{1}{2} a_i \Delta t^2 \); ניתוח דינמי.
    1. התקן את ה- קובץ קידוד משלים 1.
    2. התקינו את Python במחשב המשמש לעיבוד הנתונים.
    3. פתח חלון טרמינל והרץ: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. נווט אל התיקייה המכילה את קובץ התכנות המשלים 1 (Supplemental Coding File 1) והרצ: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      הערה: בעת שימוש ב-Windows PowerShell, יש להריץ: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. אם תתבקשו להזין כתובת דואר אלקטרוני, השאירו את השדה ריק ולחצו על Enter.
    5. לחץ על העלאה ובחרו את קובץ ה-.xls שיוצא.
    6. לחץ על עיבוד נתונים לטעינה וניתוח של מערך הנתונים.
    7. סקרו את תרשימי התאוצה, המהירות והמיקום שהופקו עבור הניסוי הראשון.
    8. בחר את הפסגות שזוהו והמתאימות לכיווצי שריר תקינים באמצעות תיבות הסימון הסמוכות לכל פסגות.
      הערה: שיאים תקפים מופיעים בדרך כלל לפני שעקבה התאוצה הופכת לשלילית, והם מקושרים לערכי מהירות ומיקום חיוביים. ייתכן שאלגוריתם זיהוי השיאים האוטומטי יזהה שיאים באופן שגוי, ולכן נדרש אימות ידני.
    9. התאמת פרמטרים לזיהוי שיאים
      הערה: אם התוכנה אינה מזהה את הפסגות באופן נכון, הרחב/י פרמטרים מתקדמים לכיול > פרמטרים לזיהוי שיאים והתאם את הגדרות הגילוי.
      1. כוון סף אפס להגדרת טווח ההאצה הנחשב לסטטי.
        הערה: הגדל ערך זה כאשר עקומות התאוצה מכילות רעש מוגבר. הסף מוצג כקווי ייחוס אדומים בגרף התאוצה. ערך ברירת מחדל = 0.30. טווח מומלץ = 0.10–5.00.
      2. כוון מהירות מינימלית לשיא להגדרת שיא המהירות המינימלי המקובל.
        הערה: יש להקטין ערך זה אם שיאים (peaks) תקפים אינם נכללים. הסף מוצג כקו הייחוס הירוק התחתון בתרשים המהירות. ערך ברירת מחדל = 0.30. טווח מומלץ = 0.10–10.00.
      3. כוון כיול כוונת (Zero Scope) להגדרת המספר המינימלי של דגימות תאוצה רצופות הקרובות לאפס הדרושות לזיהוי תקופה סטציונרית.
        הערה: הפחית ערך זה אם עקבי המהירות והמיקום אינם מתאפסים. ערך ברירת מחדל = 10. טווח מוצע = 3–25.
      4. כוון מהירות מרבית עבור שיא להגדרת שיאו המקסימלי המקובל של המהירות.
        הערה: הגדל ערך זה אם מספר השיאים (peaks) התקינים עולה על הסף. הסף מוצג כקו הייחוס הירוק העליון בעקומת המהירות. ערך ברירת מחדל = 10.00. טווח מומלץ = 10.00–30.00.
      5. כוונן מרחק מינימלי בין שיאים להגדרת מספר הדגימות המינימלי בין שיאים שזוהו.
        הערה: ערך ברירת מחדג = 2. טווח מומלץ = 1–10. בדרך כלל אין צורך בשינוי.
      6. כוון בולטות שיא מינימלית להגדרה של הבולטות (prominence) הנדרשת לזיהוי שיאים.
        הערה: ערכים נמוכים יותר מגבירים את הרגישות ועשויים לזהות שיאים (peaks) נוספים. ערך ברירת מחדל = 0.10. טווח מוצע = 0.01–0.90. בדרך כלל אין צורך בשינוי.
    10. לאחר זיהוי כל הפסגות התקפות עבור הניסוי הנוכחי, לחץ על הבא כדי להתקדם לניסוי הבא.
    11. חזור על שלבים 2.7.7–2.7.10 עד לסיום עיבוד כל הניסויים.
      הערה: אין לשנות את פרמטרי זיהוי השיאים לאחר עיבוד הניסוי הראשון. אם שינוי בפרמטרים יהיה נחוץ, יש לחזור על הניתוח עבור כל הניסויים שעובדו קודם לכן תוך שימוש בהגדרות המעודכנות.
    12. העתיקו את נתוני המהירות והתאוצה שנבחרו אל גיליון אלקטרוני לצורך ניתוחים עוקבים של כוח–מהירות–הספק.

3. פרוטוקול ניסיוני

  1. הדק את אמצע הזרוע של המשתתף למשענת הזרוע באמצעות רצועת האמה. הדק את הרצועה מספיק כדי למנוע את תנועת האמה קדימה.
  2. הנח את סביבת הקיבוע לאצבע על אגודלו של המשתתף והדק את הסביבה היטב.
  3. הסרו את הרפיון ממערכת הגלגלות על ידי סיבוב הגלגלת באמצעות מנגנון השבתי (ratchet) עד להדקתו של רצועת התזמון.
    הערה: מנגנון השחורור (ratchet) מפיק נקישה נשמעת בעת מעברו בין העמדות.
  4. הגליסו את בריח הבטיחות לכיוון הגלגלת עד שהחוט המחבר בין בריח הבטיחות לבין קרבינר A יהיה מתוח.
  5. בחרו שתי משקולות בעלות מסה שווה בקירוב, שמשקל כל אחת מהן הוא כ-1.25 ק"ג.
  6. רצף בדיקה קבוע
    1. בדקו את השכבה הגדולה ביותר, השכבה האמצעית והשכבה הקטנה ביותר באמצעות משקולת אחת והסמארטפון.
    2. בדקו את המדרגה הקטנה ביותר, המדרגה האמצעית והמדרגה הגדולה ביותר באמצעות שתי משקולות והסמארטפון.
    3. בחנו את השכבה הגדולה ביותר ואת השכבה הקטנה ביותר באמצעות הסמארטפון בלבד.
      הערה: השתמש באותו רצף עבור כל המשתתפים כדי למזער הטיות הקשורות לעייפות.
  7. הקשה התחל הקלטה באפליקציית רכישת הנתונים.
  8. הנחה את המשתתף לכבץ את האגודל במהירות ובכוח רב ככל האפשר.
    הערה: המוטיבציה של המשתתף עשויה להשפיע באופן משמעותי על הביצועים. יש לספק עידוד מילולי עקבי לאורך הבדיקה כדי לעודד מאמץ מרבי.
  9. השעו את הקלטת הנתונים לאחר כל ניסוי. התאימו את דרגת הפולה ואת תנאי העמסה בהתאם לרצף שנקבע בשלב 3.6.
  10. החדש את רישום הנתונים וחזור על שלבים 3.8–3.9 עד להשלמת כל שמונה השילובים של רמות הפולי והעמסה.
  11. יש לעקוב אחר המשתתף לאורך הבדיקה ולחזור על ניסיונות שהושפעו מתנועת זרוע מוגברת או ממאמץ לא מלא.
  12. יש לבחון את עקומת התאוצה לאחר כל ניסוי.
    הערה: יש לחזור על ניסויים המראים שיאי תאוצה ראשוניים נמוכים באופן חריג, תנודות מוגברות, או תנועה מתמשכת של הסמארטפון בין התכווצויות, שכן תנאים אלו עלולים לפגוע באיכות הנתונים.
  13. יש לרשום הערות עבור כל ניסוי, כולל ניסויים שחוזרו או נפסלו, כדי להקל על ניתוח הנתונים לאחר מכן.

4. שימוש בארגומטר בתקן הזהב

  1. הקמת הארגומטר בתקן הזהב
    1. הדלק את המחשב והפעל את התוכנה לרכישת נתונים. פתח את קובץ הפרוצדורה של מערכת המנוף במצב כפול.
    2. הגדירו את היסט הכוח (force offset) ל-10 ואת היסט האורך (length offset) ל-9 ביחיבת הבקרה של המנוף.
    3. הפעל את מערכת המנוף בעלת המצב הכפול ואת יחידת רכישת הנתונים.
    4. יש לוודא את תקינות פעולת המנוע על ידי סיבוב עדין של המנוף ואישור קיומה של התנגדות.
    5. השחילו לולאה של 40 ס"מ של חוט פלדה רב-גידי דרך החור השני מלמטה של המנוף, ואבטחו את החוט באמצעות כליב (crimp).
    6. השחילו את הקצה הנגדי של התיל בלולאה דרך תומך האצבע ואבטחו את התיל באמצעות כלי לחיצה (crimp).
    7. חבר את מערכת המנופים בעלת שני המצבים למסגרת 3 לפני משענת הזרוע.
  2. הדק את אמות המשתתף למשענת הזרוע ומקם את האגודל בתוך תומך האצבע.
  3. החליקו את זרועו של המשתתף קדימה עד שהאגודל מגיע לכפיפה מקסימלית והכבל נמצא תחת מתיחה קלה.
  4. הדק את רצועת האמה מספיק כדי למנוע תנועה של הזרוע לכיוון קדימה או לצדדים.
  5. הגדרת הגדרות רכישת נתונים
    1. פתוח התקן בקרת סריקה Dev6.
    2. סט מספר הדגימות אל 60,000.
    3. ערכה ביצוע ממוצע דגימות אל 1.
    4. קבוצה תקופת דגימה אל 0.0001.
    5. ערכה תקופת המרה אל 0.
    6. ערכה דגימות לאחר ההפעלה אל 0.
    7. ערכה מקור טריגר ייחוס אל /Dev6/PFI1.
    8. ערכה סוג 2x אל דיגיטלי.
    9. קבע 2x Lever1 אל 0.
    10. קבע 2x Lever2 אל 0.
    11. ערכה מצב ל- זריקה אחת.
    12. ערכה חזור מיד אל כבוי.
    13. קבוצה טריגר התחלה אל כבוי.
    14. ערכה מקור הטריגר אל /Dev6/PFI0.
    15. ערכה שעון דגימה אל כבוי.
    16. ערכה מקור שעון אל /Dev6/PFI7.
    17. קבע המרה של שעון אל כבוי.
    18. ערכה המרה של מקור השעון אל /Dev6/PFI2.
    19. בחר ערוץ 1 + ערוץ 2 מתחת ל- בחירת הערוצים לסריקה.
  6. לחץ על התחל ב- מכשיר בקרת סריקה והנחו את המשתתף לכווץ את האגודל במהירות ובכוח רב ככל האפשר.
    הערה: המוטיבציה של המשתתף עשויה להשפיע באופן משמעותי על הביצועים. יש לספק עידוד מילולי עקבי לאורך הבדיקה כדי לעודד מאמץ מרבי.
  7. לחץ על GetWaves ושמרו את הנתונים שהתקבלו באמצעות המזהה של המשתתף וערך היסט הלחץ (force offset) הנוכחי.
    הערה: עבור ההתכווצות הראשונה, היסט הכוח הוא 10.
  8. הפחית את היסט הכוח במרווחים של 1.0.
    הערה: דוגמה להתקדמות: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. חזור על שלבים 4.6–4.8 עד שהמנוע אינו מספק התנגדות מורגשת לתנועת האגודל.
  10. חלץ ערכי כוח שיא ומהירות שיא מכל ניסוי באמצעות הליך הניתוח המתואר ב- קובץ קידוד משלים 2.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

נתוני כוח–מהירות והספק–מהירות נאספו מדגימה של סטודנטים לתואר ראשון (N = 15) באמצעות הארגומטר המהווה את "תו התקן" (gold-standard) וכן באמצעות המכשיר בעל העלות הנמוכה, כדי להעריך את הפלטים התפקודיים של כל מערכת תחת פרוטוקול ניסויי זהה. נתונים אישיים של הנבדקים מוצגים ב-איור 1, ונתוני סיכום עבור כל מכשיר מוצגים ב-איור 3.

המכשיר בעל העלות הנמוכה הוערך כתחליף פוטנציאלי לכיתה עבור הארגומטר המהווה את תו התקן (gold-standard), וזאת באמצעות השו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

מכשיר בעלות נמוכה תוקף כחלופה לארגומטרים המהווים את "תו התקן" (gold-standard) למדידת יחסי כוח-מהירות והספק-מהירות של שרירים אנושיים במסגרת לימודית בכיתה.

תוצאות התיקוף תומכות בטענה כי מכשיר בעלות נמוכה, ולכן נגיש יותר מבחינה כלכלית וטכנולוגית, יכול להפיק מדידות שאינן ניתנות להבחנה סטטיסטית מאלו שהתקבלו באמצעות ארגומטר המשמש כסטנדרט הזהב. יכולתו של המכשיר בעלות הנמוכה להפיק קשרי כוח-מהירות והספק-מהירות באיכות גבוהה תומכת בתועלתו ככלי הוראה בכיתה. עם זאת, תוצאות התיקוף, שבהן רק אחד מחמשת משתני ה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

למחברים אין הצהרות לגבי ניגודים ענייניים.

תודות

המחברים מודים לסטודנטים הרשומים לקורס ביולוגיה של השריר (UML BIOL4890, 2023–2025) ולתלמידים מבית הספר התיכון לורנס (Lawrence, MA) על השתתפותם בפרויקט הגמר ששימש כבסיס לעבודת הגמר למסלול מצטיינים זו (GC). כמו כן, תודות למתיו בורוקובסקי מ-Aurora Scientific על תמיכתו המתמשכת,ולויקטוריה פלינט וסמואל דלאפ על מאמציהם הראשוניים בפיתוח והטמעת מודול מכפיפי האצבעות עבור הקורס ב-UML. המחברים מודים גם לדניאל ברטלט ודארל לה על סיוע בגישות הניתוח. העבודה ממומנת על ידי מלגת Honors College של UMass Lowell (עבור GC), ועל ידי הקרן הלאומית למדע (מענק 2217246), וכן באמצעות כספי התנעה מ-UMass Lowell (עבור NK).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
משקולות 1.25 kgNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8ניתן להחליף במשקולות גנריות של כ-1-2 kg
מספר נדרש: 2
רצועת תזמון למדפסת תלת-ממד‎רצועה למדפסת תלת-ממד 10mASIN: B08974S1CCניתן להחליף ברצועות תזמון גנריות למדפסת תלת-ממד: פסיעה (Pitch) של 2mm, רוחב 6mm, עשויות גומי ופיברגלס
מספר נדרש: 1
3DPart1 - גלגל שיניים פנימיN/AN/Aראה קבצי STL נלווים - הדפסה ב-ABS
מספר נדרש: 1
3DPart2 - גלגל שיניים חיצוניN/AN/Aראה קבצי STL נלווים - הדפסה ב-ABS
מספר נדרש: 1
3DPart3 - פין (Key)N/AN/Aראה קבצי STL נלווים - הדפסה של 3-5 פעמים ב-ABS
מספר נדרש: 1
3DPart4 - נשאת כוח (Force Carry)N/AN/Aראה קבצי STL נלווים - הדפסה ב-PLA
מספר נדרש: 1
קורת אלומיניום ארוכה80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
מספר נדרש: 1
קורת אלומיניום קצרה80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
מספר נדרש: 2
מחבר מסגרת אלומיניום / בורג בטיחות80/20 inc4108 מספר נדרש: 3
ספלינט לזרוע FEATOLASIN: B0CGX8QZ3Cניתן להחליף בספלינט זרוע גנרי
מספר נדרש: 1
בלוק PVC תאי למשענת זרועAzek board8/4 X Thickness Traditional Only14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
מספר נדרש: 14
קרבינריםRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N מספר נדרש: 2
מיסבי כדור מפלסגסה כרומיuxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJמידות: קוטר פנימי 10 mm, קוטר חיצוני 22 mm, רוחב 6 mm.
מספר נדרש: 1
Excel/גיליון אלקטרוניMicrosoftExcelניתן להחליף בכל תוכנת גיליונות אלקטרוניים
מספר נדרש: 1
ספלינט לאצבעSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 ניתן להחליף בספלינט אצבע גנרי
מספר נדרש: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROמשמש עבור Aurora Scientific Apparatus ועבור חישוב a/Fmax.
מספר נדרש: 1
לוח PVC תאי גדולAzek board8/4 X Thickness Traditional Only6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
מספר נדרש: 2
ציר מתכתגנריASIN: B0CC8T8X77מוט פלדה בעובי 9.97 mm, אורך 45 cm.
מספר נדרש: 1
חוט פלדה רב-גידי Catch All TackleASIN: B00JTWDSQSקוטר 1.4mm, דירוג #400lb
מספר נדרש: 2
מחזיק טלפוןTribeASIN: B00SXRXUFEמספר נדרש: 1
אפליקציית PhyphoxPhyphox.orgN/Aלהורדה מ-Apple App Store או מ-Google Play Store
מספר נדרש: 1
סקריפט PythonN/AN/Aניתן להורדה: מסמך נלווה 1 muscle_velocity_gui.py
מספר נדרש: 1
לוח PVC תאי קטןAzek board8/4 X Thickness Traditional Only1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
מספר נדרש: 1
סמארטפוןAppleIPhone 11ניתן להחליף בכל סמארטפון בעל מד תאוצה (accelerometer)
מספר נדרש: 1
מהצים לחוטי פלדהCatch All TackleASIN: B00JTWDSQSדירוג #400lb
מספר נדרש: 6
סטופריםBefenybayASIN: B0B1C6BPKQקוטר פנימי 10 mm, קוטר חיצוני 20 mm, רוחב 20 mm
מספר נדרש: 2

מקורות

  1. Hill AV. The heat of shortening and the dynamic constants of muscle. Proc R Soc Lond B Biol Sci. 1938;126:136-195.
  2. Huxley AF. Muscle structure and theories of contraction. Prog Biophys Biophys Chem. 1957;7:255-318.
  3. Seow CY. Hill's equation of muscle performance and its hidden insight on molecular mechanisms. J Gen Physiol. 2013;142:561-573.
  4. 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.
  5. Huxley AF, Simmons RM. Proposed mechanism of force generation in striated muscle. Nature. 1971;233:533-538.
  6. Judge JL, Cazares VA, Thompson Z, Skidmore LA. Development of low-cost cardiac and skeletal muscle laboratory activities to teach physiology concepts and the scientific method. Adv Physiol Educ. 2020;44:181-187.
  7. Nelson FE, Gabaldón AM, Roberts TJ. Force-velocity properties of two avian hindlimb muscles. Comp Biochem Physiol A Mol Integr Physiol. 2004;137:711-721.
  8. Wilkie DR. The relation between force and velocity in human muscle. J Physiol. 1949;110:249-280.
  9. Marsh RL, Bennett AF. Thermal dependence of contractile properties of skeletal muscle from the lizard Sceloporus occidentalis with comments on methods for fitting and comparing force-velocity curves. J Exp Biol. 1986;126:63-77.
  10. Medeiros HBO, Fontana HB, Herzog W. A low-cost 2-D sarcomere model to demonstrate titin-related mechanisms for force production. Adv Physiol Educ. 2024;48:92-96.
  11. Capuano V, Xu L, Estrada Benavides J. Smartphone MEMS accelerometer and gyroscope measurement errors: laboratory testing and analysis of the effects on positioning performance. Sensors. 2023;23:7609.
  12. Balaram J, et al. Mars Helicopter technology demonstrator [conference presentation]. Presented at: AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA SciTech Forum; Kissimmee, FL; 2018. Available from: https://doi.org/10.2514/6.2018-0023
  13. Marsh RL. How muscles deal with real-world loads: the influence of length trajectory on muscle performance. J Exp Biol. 1999;202:3377-3385.
  14. Kontra C, Lyons DJ, Fischer SM, Beilock SL. Physical experience enhances science learning. Psychol Sci. 2015;26:737-749.
  15. Freeman S, et al. Active learning increases student performance in science, engineering, and mathematics. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014;111:8410-8415.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מדידת הספק שרירגלגלת מודפסת בתלת-ממדגלגל שיניים עם פאוול (Ratchet Pawl)מד תאוצה של סמארטפוןאפליקציית Phyphoxניתוח נתונים ב-Pythonהוראת פיזיולוגיה של השרירהוראת ביומכניקה

מאמר זה פורסם

הסרטון יגיע בקרוב

צרו קשר
המליצו לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

זכויות יוצרים © 2026 MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.