È richiesta un abbonamento a JoVE per visualizzare questo contenuto. Accedi o inizia la tua prova gratuita.

Articolo metodologico

Un apparato a basso costo per la misurazione delle relazioni forza-velocità muscolare

129 visualizzazioni

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 agosto 2026

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

In questo articolo

Sommario

È stato sviluppato un apparato accessibile e a basso costo per misurare le relazioni forza–velocità–potenza muscolare umana, utilizzando materiali economici, un ingranaggio stampato in 3D, un accelerometro dello smartphone e software gratuito Python. La validazione rispetto a un ergometro standard aureo ha dimostrato misurazioni fisiologicamente rilevanti, offrendo al contempo opportunità eque di apprendimento pratico in un contesto didattico universitario.

Abstract

La relazione tra forza muscolare, velocità contrattile e potenza rappresenta un paradigma fisiologico di quasi un secolo e un pilastro fondamentale della nostra comprensione della funzione muscolo-scheletrica. Tuttavia, questo paradigma raramente viene studiato direttamente nelle aule di fisiologia e biomeccanica a causa del costo proibitivo dell'attrezzatura necessaria. Questo studio ha avuto lo scopo di progettare e validare un apparato economico basato su un sistema di pulegge stampato in 3D, che incorpora un ingranaggio a ruota a denti e scatto, facilmente costruibile e configurabile per raccogliere dati di forza–velocità–potenza dai muscoli delle dita umane mediante l'accelerometro di uno smartphone e l'applicazione gratuita Phyphox. Uno script Python personalizzato converte le misurazioni grezze dell'accelerometro in velocità e potenza, che vengono poi confrontate, soggetto per soggetto, con le misurazioni ottenute utilizzando un sistema a leva duale considerato standard di riferimento. Il confronto a coppie di cinque variabili riassuntive (forza massima, Fmax; velocità massima, Vmax; potenza massima, Pmax; velocità ottimale, Vopt; e curvatura della relazione forza–velocità, a/Fmax) non ha rivelato differenze statisticamente significative tra i dati di forza–velocità–potenza raccolti con i due apparati (test t appaiati, p > 0.05). Pertanto, senza una riduzione significativa della qualità dei dati, l'apparato economico offre un mezzo accessibile, sicuro ed efficace sotto il profilo dei costi per insegnare e studiare i principi biomeccanici e fisiologici. Questo apparato ha il potenziale di democratizzare l'insegnamento della fisiologia muscolare e della biomeccanica, in particolare in contesti educativi con finanziamenti limitati e risorse scarse in tutto il mondo.

Introduzione

Il muscolo striato è il motore che genera il movimento scheletrico nell'uomo e in altri animali. La comprensione della sua unica composizione gerarchica è complicata da fattori multiscala che influenzano la generazione della forza e la produzione di lavoro1,2. Forse a causa di queste complessità, la funzione muscolare può risultare una componente trascurata nei programmi di anatomia e fisiologia, poiché gli educatori non dispongono degli strumenti necessari per illustrare adeguatamente gli aspetti più fondamentali e affascinanti della funzione muscolare3,4,5,6.

La funzione muscolare è stata storicamente descritta attraverso diversi paradigmi duraturi, nessuno dei quali più ampiamente riconosciuto della relazione inversa tra forza e velocità, inizialmente caratterizzata quasi un secolo fa da Archibald Vivian Hill1,2,3,4,5,6. Questa fondamentale relazione fisiologica descrive il compromesso tra la velocità di contrazione muscolare e la forza generata, in base al quale le contrazioni isometriche o con accorciamento molto lento sono generalmente le più forti, producendo la forza massima del muscolo (Fmax), mentre le contrazioni isotoniche più veloci, che si avvicinano alla velocità massima del muscolo (Vmax), sono tipicamente le più deboli1. Quando Hill descrisse la relazione forza–velocità–potenza (FVP) nel 1938, introdusse una funzione che ancora oggi porta il suo nome. L'equazione di Hill (Equazione 1) correla la forza massima generata durante una contrazione isometrica (con estremità muscolari fisse) alla velocità massima raggiunta in assenza di un carico esterno.

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

dove v è la velocità di accorciamento, F è la forza muscolare, Fmax è la forza isometrica massima, e a e b sono costanti che descrivono la relazione forza–velocità e le proprietà energetiche dell'accorciamento muscolare1.

Incorporata in questa relazione fondamentale vi sono diversi concetti chiave della funzione muscolare, rappresentati da cinque parametri quantitativi che definiscono la relazione forza-velocità (FVP). Il prodotto tra la forza muscolare istantanea e la velocità è la potenza, che tipicamente raggiunge un valore massimo (Pmax) a circa un terzo di Vmassimo7. La velocità alla quale  Pmax avviene è indicata come velocità ottimale (Vottimizzato) e la sua posizione all'interno dell'intervallo di velocità di accorciamento (da V0 a Vmax) è una caratteristica importante delle relazioni forza-velocità e potenza-velocità. Ad esempio, una maggiore Vottimizzare determina una potenza massima erogata a una velocità di accorciamento più elevata. All'interno della relazione forza–velocità stessa, la forza massima (Fmax) e velocità massima (Vmax) sono collegati da relazioni forza–velocità intermedie in modo curvilineo (Figura 5A). Vengono mostrate relazioni rappresentative forza-velocità e potenza-velocità ottenute mediante la metodologia qui descritta Figura 1. La pendenza di questa curva è definita curvatura forza-velocità, che descrive la velocità di diminuzione della forza all'aumentare della velocità. La curvatura è definita come a/Fmax8, dove a è la costante termodinamica nell'equazione di Hill che quantifica la generazione di calore dovuta all'attrito in un muscolo che si accorcia senza carico1. La curvatura influenza la posizione di Vottimizzato sulla curva forza-velocità e determina quanta forza un muscolo può generare a una data velocità di accorciamento. La curvatura è stata inoltre descritta mediante il rapporto tra la potenza muscolare (Equazione 2)9. 

Equazione 2:  Equazione del rapporto di efficienza, Pmax/vmax*Fmax, per l'analisi dei sistemi meccanici.

dove Pmax è il massimo rendimento di potenza muscolare, e Vmax e Fmax sono rispettivamente la massima velocità di accorciamento e la massima forza isometrica.

La natura intuitiva delle relazioni forza-velocità e potenza-velocità offre punti di ingresso efficaci per l'insegnamento della funzione muscolare in aula nelle scienze della vita. L'importanza di offrire agli studenti opportunità pratiche per sviluppare una comprensione più completa delle relazioni FVP è sottolineata dal fatto che l'apprendimento pratico si è dimostrato in grado di migliorare il mantenimento delle conoscenze10. Inoltre, l'apprendimento sperimentale è noto per rafforzare le basi per la valutazione della funzione muscolare, sia in un contesto scientifico fondamentale sia come preparazione per professioni nel settore sanitario, inclusa la prevenzione delle lesioni, la riabilitazione e l'allenamento fisico.

Gli strumenti tradizionali per testare le proprietà fisiologiche muscolari, come i sistemi a leva con servomotore a doppia modalità, sono altamente precisi e accurati, ma comportano costi proibitivi e quindi rappresentano un ostacolo sostanziale all'implementazione nella maggior parte degli ambienti didattici7. Per superare questi limiti ed espandere le opportunità di apprendimento pratico, è stata sviluppata un'alternativa economica. L'apparato si basa su una puleggia stampata in 3D che incorpora un ingranaggio a ruota a denti e folle, e utilizza profili in alluminio scanalati facilmente reperibili, filo rigido e uno smartphone montato su un supporto portadispositivi, che esegue un'applicazione gratuita per l'acquisizione dati (Figura 2). È stato scelto uno smartphone invece di dispositivi dedicati per la misurazione dell'accelerazione perché gli smartphone sono ampiamente disponibili e sono generalmente dotati di accelerometri precisi e robusti11. L'utilità degli smartphone come strumenti scientifici per le misurazioni è stata dimostrata in precedenza, inclusa l'integrazione di un accelerometro per smartphone commercialmente disponibile nell'unità di misurazione inerziale dell'elicottero Ingenuity su Marte12.

Sebbene esistano alcuni strumenti economici per l'insegnamento della fisiologia muscolare, questi riguardano concetti diversi: Judge et al.6 hanno sviluppato attività basate su SpikerBox a basso costo per la registrazione dell'attività elettrica muscolare, e Medeiros et al.10 hanno creato un modello economico del sarcomero in 2-D per dimostrare la meccanica legata alla titina. Tuttavia, nessuno strumento esistente a basso costo consente agli studenti di misurare direttamente le relazioni forza-velocità-potenza (FVP) di un muscolo umano contratto e di generare dati quantitativi paragonabili a quelli della ricerca. L'apparato qui descritto è stato progettato per colmare questa lacuna, fornendo misurazioni FVP validate secondo standard elevati per meno di 300 dollari.

Lo studio attuale descrive la costruzione di un apparato FVP economico, con una validazione incrociata rispetto allo standard industriale riconosciuto. Le analisi di validazione si basano su confronti a coppie delle cinque variabili riassuntive FVP riconosciute, misurate negli stessi soggetti su entrambi gli apparati. Le analisi verificano l'ipotesi che entrambi gli apparati generino curve forza-velocità e potenza-velocità equivalenti. Con una validazione incrociata riuscita, l'apparato economico potrà democratizzare lo studio in aula della fisiologia muscolare e della biomeccanica muscolo-scheletrica, riducendo l'onere finanziario legato all'acquisto dell'apparecchiatura, mantenendo al contempo l'accuratezza sperimentale e quindi il rigore scientifico. Si prevede che l'apparato economico possa ispirare e permettere a studenti e docenti nelle aule di fisiologia e biomeccanica di tutto il mondo, che già studiano e insegnano l'anatomia muscolare, di esplorare concretamente una delle relazioni muscolari più fondamentali. Includendo un'attività pratica per la generazione di misurazioni fisiologiche, le aule potranno raggiungere una comprensione multimodale e un miglior apprendimento duraturo.

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Protocollo

Tutti gli esperimenti alla base di questa pubblicazione sono stati approvati dal Comitato Etico dell'Università del Massachusetts Lowell (Protocollo n. 21-163-KON-XPD).

NOTA: L'apparato utilizza uno smartphone sospeso con carichi esterni tramite un sistema di pulegge stampato in 3D. I dati di accelerazione vengono acquisiti a 100 Hz mediante un'applicazione per l'acquisizione dati basata su smartphone. La forza viene calcolata moltiplicando la massa combinata dello smartphone e del carico esterno per l'accelerazione. La velocità si ottiene integrando l'accelerazione, e la potenza viene calcolata come prodotto tra forza e velocità (File di Codice Supplementare 1).

1. Assemblaggio dell'apparato

  1. Attaccare due brevi travi in alluminio alla parte inferiore di una trave lunga in alluminio utilizzando fissaggi per telaio in alluminio. Posizionare le travi corte approssimativamente a 8 cm da ciascuna estremità della trave lunga per formare una base stabile e non deformabile.
    NOTA: Questo insieme verrà indicato in seguito come telaio.
  2. Costruire il supporto della puleggia
    1. Posizionare un blocco grande in polivinilcloruro cellulare con il lato da 7 in orientato verticalmente e il lato da 6,75 in orientato orizzontalmente.
    2. Misurare 2,75 in a partire dall'angolo in basso a sinistra lungo il bordo sinistro e segnare la posizione.
    3. Misurare 2,75 in a partire dall'angolo in alto a sinistra lungo il bordo superiore e segnare la posizione.
    4. Tracciare una linea retta che colleghi i due punti segnati.
    5. Tagliare lungo la linea segnata e rimuovere la sezione triangolare risultante.
    6. Praticare un foro da 7/16 in a 1,25 in dall'angolo in alto a destra.
    7. Ripetere i passaggi 1.2.1–1.2.6 per il secondo blocco grande.
    8. Posizionare il blocco piccolo in polivinilcloruro cellulare dietro il telaio.
    9. Fissare entrambi i blocchi grandi al blocco piccolo in modo che siano distanti 8 in. Orientare i tagli diagonali sopra il blocco piccolo e posizionare i fori praticati oltre il bordo del blocco piccolo.
  3. Fissare saldamente il supporto della puleggia all'angolo di un tavolo o di un piano di lavoro con una morsetto.
    NOTA: Posizionare il supporto in modo che la puleggia sporga oltre il bordo del tavolo. Ciò impedisce che i pesi sospesi e lo smartphone entrino in contatto con le gambe del tavolo durante le contrazioni.
  4. Costruire e fissare il supporto per l'avambraccio
    1. Tagliare il blocco in polivinilcloruro cellulare da 14 in, destinato al supporto per l'avambraccio, in tre pezzi composti da due sezioni da 1,5 in e una sezione da 3,5 in.
    2. Praticare una tacca da 2 in x 1/8 in sulla superficie superiore di ciascuna sezione più piccola, posizionando la tacca a 1 in dal bordo anteriore.
    3. Fissare le sezioni più piccole alla parte inferiore della sezione più grande a ciascuna estremità. Allineare le tacche tra loro.
    4. Rivestire la superficie superiore della sezione più grande con nastro adesivo a strappo (hook-and-loop).
    5. Fare passare la cinghia per l'avambraccio attraverso le due tacche.
    6. Fissare il supporto per l'avambraccio al telaio utilizzando bulloni e dadi a T ad inserimento. Posizionare il supporto a 14 in dal supporto della puleggia, con la cinghia per l'avambraccio rivolta in senso opposto rispetto alla puleggia.
  5. Inserire cuscinetti a sfera nelle scanalature dei componenti dell'ingranaggio interno ed esterno (Supplemental File 1).
  6. Fare passare 40 cm di cinghia dentata attraverso la fessura laterale del componente dell'ingranaggio interno. Creare un anello con un sovrapposizione di 2 cm e fissare il tratto sovrapposto all'interno della fessura.
  7. Fare passare l'asse metallico attraverso il supporto sinistro della puleggia, un fermo, il componente dell'ingranaggio interno, il componente portante la forza, il componente dell'ingranaggio esterno, un secondo fermo e il supporto destro della puleggia.
    NOTA: Orientare la fessura laterale dell'ingranaggio interno verso il telaio. Posizionare entrambi i fermi a 1 mm da ciascun lato dell'insieme della puleggia.
  8. Installare altri due fermi sull'asse, posizionando ciascun fermo a 1 mm dai supporti della puleggia per impedire movimenti laterali.
  9. Fare passare un tratto di filo d'accio multifilamento da 40 cm attraverso la staffa per le dita e fissarlo con un pressacavo. Fare passare l'estremità opposta attraverso il moschettone A e fissarla con un secondo pressacavo.
    NOTA: I moschettoni A e B sono identici e sono etichettati unicamente per facilitare l'identificazione durante il montaggio.
  10. Collegare il componente dell'ingranaggio interno al moschettone A utilizzando la cinghia dentata collegata. Fissare il tratto sovrapposto con la chiave A.
    NOTA: Le chiavi A, B e C sono identiche. Possono essere stampate chiavi aggiuntive poiché sono progettate come componenti sacrificali che si rompono prima che altre parti dell'apparato subiscano danni.
  11. Fare passare un tratto di filo d'acciaio multifilamento da 10 cm attorno al moschettone A e fissarlo con un pressacavo. Fare passare l'estremità opposta attorno a un fissaggio per telaio in alluminio, schiacciare il filo con un pressacavo e fissare il fissaggio al telaio.
    NOTA: Questo insieme verrà indicato in seguito come bullone di sicurezza.
  12. Creare un anello utilizzando 40 cm di cinghia dentata con un' sovrapposizione di 2 cm e inserire l'anello nella chiave B. Fare passare l'estremità opposta attorno al moschettone B e fissare il tratto sovrapposto utilizzando la chiave C.
  13. Inserire la chiave B nel gradino più grande del componente dell'ingranaggio esterno.
  14. Fissare il supporto per lo smartphone al moschettone B utilizzando l'anello del bracciale o gli alloggiamenti per il cavo delle cuffie.
  15. Sospendere il peso iniziale desiderato dal moschettone B utilizzando un filo d'acciaio piegato ad anello e fissato con un pressacavo.

2. Configurazione dell'acquisizione dei dati

  1. Installare l'applicazione di acquisizione dati su uno smartphone dotato di accelerometro.
  2. Aprire il modulo Acceleration (without g).
  3. Posizionare lo smartphone nel supporto da braccio fissato al moschettone B.
  4. Acquisire i dati secondo la sezione 3.
  5. Esportare i dati registrati come file .xls. Assegnare un nome file univoco corrispondente al partecipante.
  6. Trasferire il file .xls su un computer con accesso a internet.
  7. Elaborare i dati utilizzando Supplemental Coding File 1
    NOTA: Lo script calcola la velocità mediante integrazione forward Euler dell'accelerazione verticale misurata (Equazione 3). La posizione è calcolata utilizzando l'equazione cinematica a accelerazione costante (Equazione 4). I calcoli utilizzano i valori grezzi dell'accelerazione senza smoothing né filtraggio.
    Equazione 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    Equazione 4:  Equazione del moto fisico: \( p_i = p_{i-1} + v_{i-1} \Delta t + \frac{1}{2} a_i \Delta t^2 \); analisi dinamica.
    1. Installare Supplemental Coding File 1.
    2. Installare Python sul computer utilizzato per l'elaborazione dei dati.
    3. Aprire una finestra del terminale ed eseguire: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. Recarsi nella cartella contenente Supplemental Coding File 1 ed eseguire: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      NOTA: Quando si utilizza Windows PowerShell, eseguire: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. Se richiesto un indirizzo email, lasciare il campo vuoto e premere Invio.
    5. Fare clic su Upload e selezionare il file .xls esportato.
    6. Fare clic su Process Data per caricare ed analizzare il dataset.
    7. Esaminare i grafici di accelerazione, velocità e posizione generati per la prima prova.
    8. Selezionare i picchi rilevati corrispondenti a contrazioni muscolari valide utilizzando le caselle di controllo adiacenti a ciascun picco.
      NOTA: I picchi validi si verificano tipicamente prima che l'andamento dell'accelerazione diventi negativo e sono associati a valori positivi di velocità e posizione. L'algoritmo automatico di rilevamento dei picchi potrebbe identificare erroneamente alcuni picchi e richiede pertanto una verifica manuale.
    9. Regolare i parametri di rilevamento dei picchi
      NOTA: Se il software non identifica correttamente i picchi, espandere Advanced Tweakables > Peak Detection Parameters e regolare le impostazioni di rilevamento.
      1. Regolare Zero Threshold per definire l'intervallo di accelerazione considerato stazionario.
        NOTA: Aumentare questo valore quando gli andamenti dell'accelerazione presentano rumore eccessivo. La soglia viene visualizzata come linee di riferimento rosse sul grafico dell'accelerazione. Valore predefinito = 0,30. Intervallo suggerito = 0,10–5,00.
      2. Regolare Min Velocity for Peak per definire il picco minimo di velocità accettato.
        NOTA: Ridurre questo valore se vengono esclusi picchi validi. La soglia viene visualizzata come linea di riferimento verde inferiore sul grafico della velocità. Valore predefinito = 0,30. Intervallo suggerito = 0,10–10,00.
      3. Regolare Zero Scope per definire il numero minimo di campioni consecutivi di accelerazione prossimi allo zero necessari per identificare un periodo stazionario.
        NOTA: Ridurre questo valore se gli andamenti di velocità e posizione non si azzerrano. Valore predefinito = 10. Intervallo suggerito = 3–25.
      4. Regolare Max Velocity for Peak per definire il picco massimo di velocità accettato.
        NOTA: Aumentare questo valore se i picchi validi superano la soglia. La soglia viene visualizzata come linea di riferimento verde superiore sul grafico della velocità. Valore predefinito = 10,00. Intervallo suggerito = 10,00–30,00.
      5. Regolare Min Peak Distance per definire il numero minimo di campioni tra i picchi rilevati.
        NOTA: Valore predefinito = 2. Intervallo suggerito = 1–10. La modifica è generalmente non necessaria.
      6. Regolare Min Peak Prominence per definire la rilevanza richiesta per il rilevamento dei picchi.
        NOTA: Valori più bassi aumentano la sensibilità e potrebbero identificare ulteriori picchi. Valore predefinito = 0,10. Intervallo suggerito = 0,01–0,90. La modifica è generalmente non necessaria.
    10. Dopo aver identificato tutti i picchi validi per la prova corrente, fare clic su Next per passare alla prova successiva.
    11. Ripetere i passaggi 2.7.7–2.7.10 fino a quando tutte le prove sono state elaborate.
      NOTA: Non modificare i parametri di rilevamento dei picchi dopo aver elaborato la prima prova. Se fosse necessario modificare i parametri, ripetere l'analisi per tutte le prove precedentemente elaborate utilizzando le nuove impostazioni.
    12. Copiare i dati di velocità e accelerazione selezionati in un foglio elettronico per successive analisi forza–velocità–potenza.

3. Protocollo sperimentale

  1. Fissare l'avambraccio del partecipante al supporto utilizzando la cinghia per l'avambraccio. Stringere sufficientemente la cinghia per impedire all'avambraccio di muoversi in avanti.
  2. Posizionare il puntello per le dita sul pollice del partecipante e stringerlo saldamente.
  3. Eliminare il gioco nel sistema della puleggia ruotando la puleggia attraverso il meccanismo a scatto finché la cinghia di trasmissione non risulta tesa.
    NOTA: Il meccanismo a scatto emette un clic udibile quando avanza tra una posizione e l'altra.
  4. Far scorrere il bullone di sicurezza verso la puleggia finché il filo che collega il bullone di sicurezza e il moschettone A non risulta teso.
  5. Selezionare due pesi di massa approssimativamente uguale, ciascuno di circa 1.25 kg.
  6. Sequenza fissa di test
    1. Eseguire il test del livello più grande, del livello intermedio e del livello più piccolo utilizzando un peso e lo smartphone.
    2. Eseguire il test del livello più piccolo, del livello intermedio e del livello più grande utilizzando due pesi e lo smartphone.
    3. Eseguire il test del livello più grande e del livello più piccolo utilizzando soltanto lo smartphone.
      NOTA: Utilizzare la stessa sequenza per tutti i partecipanti per ridurre al minimo il bias legato all'affaticamento.
  7. Toccare Avvia registrazione nell'applicazione di acquisizione dati.
  8. Chiedere al partecipante di contrarre il pollice nel modo più rapido e vigoroso possibile.
    NOTA: La motivazione del partecipante può influenzare in modo significativo la prestazione. Fornire incoraggiamenti verbali costanti durante il test per promuovere uno sforzo massimale.
  9. Sospendere la registrazione dei dati dopo ogni prova. Regolare il livello della puleggia e il carico secondo la sequenza stabilita al punto 3.6.
  10. Riprendere la registrazione dei dati e ripetere i punti 3.8–3.9 finché non saranno state completate tutte e otto le combinazioni di livello della puleggia e carico.
  11. Monitorare il partecipante per tutta la durata del test e ripetere le prove compromesse da movimenti eccessivi dell'avambraccio o da uno sforzo incompleto.
  12. Esaminare l'andamento dell'accelerazione dopo ogni prova.
    NOTA: Ripetere le prove che mostrano picchi iniziali di accelerazione anormalmente bassi, oscillazioni eccessive o movimento continuo dello smartphone tra una contrazione e l'altra, poiché queste condizioni potrebbero compromettere la qualità dei dati.
  13. Registrare delle note per ogni prova, indicando prove ripetute o escluse, per facilitare l'analisi successiva dei dati.

4. Utilizzo dell'ergometro come standard aureo

  1. Impostare l'ergometro di riferimento
    1. Accendere il computer ed avviare il software di acquisizione dati. Aprire il file della procedura del sistema a leva bimodale.
    2. Impostare il valore di forza su 10 e il valore di lunghezza su 9 nell'unità di controllo della leva.
    3. Accendere il sistema a leva bimodale e l'unità di acquisizione dati.
    4. Verificare il corretto funzionamento del motore ruotando delicatamente la leva e confermando la presenza di resistenza.
    5. Fare passare un cavo in acciaio multifilamento di 40 cm attraverso il secondo foro a partire dal fondo della leva e fissare il cavo con un pressacavo.
    6. Passare l'estremità opposta del filo attraverso la stecca per le dita e fissare il filo con un puntalino di chiusura.
    7. Fissare il sistema a leva bimodale al telaio 3 nella parte anteriore del bracciolo.
  2. Fissare l'avambraccio del partecipante al supporto per il braccio e posizionare il pollice all'interno della stecca per le dita.
  3. Fare scorrere l'avambraccio del partecipante in avanti fino a quando il pollice raggiunge la massima flessione e il cavo è leggermente in tensione.
  4. Stringare sufficientemente il cinturino dell'avambraccio per impedire movimenti dell'arto in direzione anteriore o laterale.
  5. Configurare le impostazioni di acquisizione dei dati
    1. Aperto Dispositivo di controllo scansione Dev6.
    2. Impostare Numero di campioni a 60,000.
    3. Impostare Media dei campioni a 1.
    4. Impostare Periodo del campione a 0.0001.
    5. Impostare Convertire il periodo a 0.
    6. Impostare Campioni post-trigger a 0.
    7. Impostare Fonte del trigger di riferimento a /Dev6/PFI1.
    8. Impostare 2x Tipo a Digitale.
    9. Impostare 2x Lever1 a 0.
    10. Impostare 2x Lever2 a 0.
    11. Impostare Modalità a One Shot.
    12. Impostare Restituire immediatamente a Spento.
    13. Impostare Avvia trigger a Spento.
    14. Impostare Sorgente del trigger a /Dev6/PFI0.
    15. Impostare Orologio del Campione a Spento.
    16. Impostare Fonte del segnale di clock a /Dev6/PFI7.
    17. Impostare Converti orario a Spento.
    18. Impostare Converti sorgente oraria a /Dev6/PFI2.
    19. Selezionare Canale 1 + Canale 2 sotto Selezionare i canali da analizzare.
  6. Fare clic su Avviare in Dispositivo di controllo della scansione e chiedere al partecipante di contrarre il pollice il più rapidamente e intensamente possibile.
    NOTA: La motivazione del partecipante può influenzare in modo significativo la prestazione. Fornire un incoraggiamento verbale costante durante il test per promuovere il massimo impegno.
  7. Fare clic su GetWaves e salvare i dati risultanti utilizzando l'identificativo del partecipante e il valore attuale dell'offset della forza.
    NOTA: Per la prima contrazione, l'offset della forza è 10.
  8. Ridurre l'offset della forza a incrementi di 1,0.
    NOTA: Esempio di progressione: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. Ripetere i passaggi da 4.6 a 4.8 finché il motore non oppone una resistenza apprezzabile al movimento del pollice.
  10. Estrarre i valori di forza massima e velocità massima da ogni prova utilizzando la procedura di analisi descritta in File Codice Supplementare 2.

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Risultati

I dati forza-velocità e potenza-velocità sono stati raccolti da un campione di studenti universitari (N = 15) utilizzando sia l'ergometro considerato standard aureo sia l'apparato a basso costo, al fine di valutare le uscite funzionali di ciascun sistema in un protocollo sperimentale identico. I dati individuali dei soggetti sono mostrati nella Figura 1, mentre i dati riassuntivi per ciascun apparato sono mostrati nella Figura 3.

L'ap...

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Discussione

Un apparato a basso costo è stato convalidato come alternativa agli ergometri di riferimento per misurare le relazioni forza-velocità e potenza-velocità dei muscoli umani in ambito didattico.

I risultati della validazione supportano l'affermazione che un apparato a basso costo, e quindi più accessibile dal punto di vista economico e tecnologico, può generare misurazioni statisticamente indistinguibili da quelle ottenute utilizzando un ergometro di riferimento. La capacità dell'apparato a basso...

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Dichiarazioni

Gli autori non hanno dichiarazioni da fare.

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano gli studenti iscritti al corso di Biologia del Muscolo (UML BIOL4890, 2023–2025) e gli studenti della Lawrence High School (Lawrence, MA) per aver partecipato al progetto finale che ha costituito la base per questa tesi d'onore (GC). Inoltre, un ringraziamento a Matthew Borokowski di Aurora Scientific per il costante supporto e a Victoria Flint e Samuel DeLap per i loro sforzi iniziali nello sviluppo e nell'implementazione del modulo flessore delle dita per il corso UML. Gli autori ringraziano inoltre Daniel Bartlett e Darrell La per l'assistenza fornita negli approcci analitici. Finanziato da una borsa di studio del Collegio Onorario dell'Università del Massachusetts Lowell (a GC) e dalla National Science Foundation (premio 2217246), nonché da fondi iniziali dell'Università del Massachusetts Lowell (a NK).

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Pesi da 1,25 kgNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8Può essere sostituito con pesi generici di circa 1-2 kg
quantità necessaria: 2
Cinghia di temporizzazione per stampante 3D‎Cinghia per stampante 3D da 10 mASIN: B08974S1CCPuò essere sostituita con cinghie di temporizzazione generiche per stampanti 3D: passo da 2 mm, larghezza da 6 mm, in gomma e fibra di vetro
quantità necessaria: 1
3DPart1 - Pignone internoN/AN/AVedi STL supplementari - Stampare in ABS
quantità necessaria: 1
3DPart2 - Pignone esternoN/AN/AVedi STL supplementari - Stampare in ABS
quantità necessaria: 1
3DPart3 - ChiaveN/AN/AVedi STL supplementari - Stampare 3-5 volte in ABS
quantità necessaria: 1
3DPart4 - Supporto forzaN/AN/AVedi STL supplementari - Stampare in PLA
quantità necessaria: 1
Trave in alluminio lunga80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
quantità necessaria: 1
Trave in alluminio corta80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
quantità necessaria: 2
Dispositivo di fissaggio per telaio in alluminio / Bullone di sicurezza80/20 inc4108 quantità necessaria: 3
Supporto per braccio FEATOLASIN: B0CGX8QZ3CPuò essere sostituito con un supporto per braccio generico
quantità necessaria: 1
Blocco in policloruro di vinile cellulare per appoggio del braccioAzek board8/4 X Spessore Solo Tradizionale14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
quantità necessaria: 14
MoschettoniRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N quantità necessaria: 2
Cuscinetti a sfera in acciaio legato al cromouxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJDimensioni: diametro interno 10 mm, diametro esterno 22 mm, larghezza 6 mm.
quantità necessaria: 1
Excel/Foglio di calcoloMicrosoftExcelPuò essere sostituito con qualsiasi software per fogli di calcolo
quantità necessaria: 1
Supporto per ditaSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 Può essere sostituito con un supporto per dita generico
quantità necessaria: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROUtilizzato con l'apparecchiatura Aurora Scientific e per il calcolo di a/Fmax.
quantità necessaria: 1
Pannello grande in policloruro di vinile cellulareAzek board8/4 X Spessore Solo Tradizionale6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
quantità necessaria: 2
Albero in metalloGenericoASIN: B0CC8T8X77Barra d'acciaio spessa 9,97 mm, lunga 45 cm.
quantità necessaria: 1
Filo d'acciaio multifilamento Catch All TackleASIN: B00JTWDSQSDiametro 1,4 mm, portata #400 lb
quantità necessaria: 2
Supporto per telefonoTribeASIN: B00SXRXUFEquantità necessaria: 1
App PhyphoxPhyphox.orgN/AScaricare dall'Apple App Store o dal Google Play Store
quantità necessaria: 1
Script PythonN/AN/ADisponibile per il download: Documento supplementare 1 muscle_velocity_gui.py
quantità necessaria: 1
Pannello piccolo in policloruro di vinile cellulareAzek board8/4 X Spessore Solo Tradizionale1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
quantità necessaria: 1
SmartphoneAppleIPhone 11Può essere sostituito con qualsiasi smartphone dotato di accelerometro
quantità necessaria: 1
Pressacavi per filo d'acciaioCatch All TackleASIN: B00JTWDSQSPortata #400 lb
quantità necessaria: 6
TappiBefenybayASIN: B0B1C6BPKQdiametro interno 10 mm, diametro esterno 20 mm, larghezza 20 mm
quantità necessaria: 2

Riferimenti

  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.

Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.

Ristampe e permessi

Tag

Misurazione della potenza muscolarepuleggia stampata in 3Dingranaggio a cricchettoaccelerometro per smartphoneapplicazione Phyphoxanalisi dei dati con Pythoneducazione alla fisiologia muscolareinsegnamento della biomeccanica

Questo articolo è stato pubblicato

Video in arrivo

Contattaci
Consiglia alla biblioteca

Privacy

Termini di utilizzo

Politiche

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Tutti i diritti riservati.