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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&#160;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).

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 mediante un sistema di pulegge stampato in 3D. I dati di accelerazione vengono raccolti a 100 Hz utilizzando un'applicazione per l'acquisizione dati basata su smartphone. La forza è calcolata moltiplicando la massa combinata dello smartphone e del carico esterno per l'accelerazione. La velocità si ottiene integrando l'accelerazione, e la potenza è calcolata come prodotto tra forza e velocità (Supplemental Coding File 1).
1. Assemblaggio dell'apparato
<ol>
	<li>Fissare due travi in alluminio corte al lato inferiore di una trave in alluminio lunga utilizzando connettori per struttura in alluminio. Posizionare le travi corte a circa 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.</li>
	<li>Costruire il supporto della puleggia
	<ol>
		<li>Posizionare un blocco grande in polivinilcloruro cellulare con il lato da 7 pollici orientato verticalmente e il lato da 6,75 pollici orientato orizzontalmente.</li>
		<li>Misurare 2,75 pollici a partire dall'angolo in basso a sinistra lungo il bordo sinistro e segnare la posizione.</li>
		<li>Misurare 2,75 pollici a partire dall'angolo in alto a sinistra lungo il bordo superiore e segnare la posizione.</li>
		<li>Tracciare una linea retta che collega le due posizioni segnate.</li>
		<li>Tagliare lungo la linea segnata e rimuovere la sezione triangolare risultante.</li>
		<li>Praticare un foro di 7/16 di pollice a 1,25 pollici dall'angolo in alto a destra.</li>
		<li>Ripetere i passaggi 1.2.1–1.2.6 per il secondo blocco grande.</li>
		<li>Posizionare il piccolo blocco cellulare in cloruro di polivinile dietro al telaio.</li>
		<li>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 trapanati oltre il bordo del blocco piccolo.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Fissare saldamente il supporto della puleggia all'angolo di un tavolo o di un banco. 
	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.</li>
	<li>Costruire e fissare il bracciolo
	<ol>
		<li>Tagliare il blocco di polivinilcloruro cellulare da 14 pollici in tre pezzi, costituiti da due sezioni da 1,5 pollici e da una sezione da 3,5 pollici.</li>
		<li>Tagliare una tacca di 2 pollici x 1/8 di pollice sulla superficie superiore di ciascuna sezione più piccola, posizionando la tacca a 1 pollice dal bordo anteriore.</li>
		<li>Fissare le sezioni più piccole alla parte inferiore della sezione più grande a ciascuna estremità. Allineare le intagli una con l'altra.</li>
		<li>Coprire la superficie superiore della sezione più grande con nastro in velcro.</li>
		<li>Fare passare la cinghia dell'avambraccio attraverso le due tacche.</li>
		<li>Fissare il bracciolo al telaio utilizzando bulloni e dadi a innesto rapido a T. Posizionare il bracciolo a 14 pollici dal supporto della puleggia, con la cinghia per l'avambraccio rivolta lontano dalla puleggia.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Inserire le sfere nei canali della corona interna e dei componenti della corona esterna (File Supplementare 1).</li>
	<li>Fare passare 40 cm di cinghia dentata attraverso la fessura laterale del componente ingranaggio interno. Creare un'ansa con un'overlap di 2 cm e fissare l'overlap all'interno della fessura.</li>
	<li>Inserire l'asse metallico attraverso il supporto della puleggia sinistra, un tappo, il componente ingranaggio interno, il componente trasmettitore della forza, il componente ingranaggio esterno, un secondo tappo e il supporto della puleggia destra. 
	NOTA: Orientare la scanalatura laterale dell'ingranaggio interno verso il telaio. Posizionare entrambi i fermi a 1 mm da ciascun lato dell'insieme della puleggia.</li>
	<li>Installare due tappi aggiuntivi sull'asse, posizionando ciascun tappo a 1 mm dai supporti della puleggia per impedire movimenti laterali.</li>
	<li>Fare passare 40 cm di filo d'acciaio multitorcia attraverso la stecca per le dita e fissarlo con un puntale. Fare passare l'estremità opposta attraverso il moschettone A e fissarla con un secondo puntale. 
	NOTA: I moschettoni A e B sono identici e vengono etichettati unicamente per facilitarne l'identificazione durante il montaggio.</li>
	<li>Collegare il componente dell'ingranaggio interno al moschettone A utilizzando la cinghia dentata allegata. Fissare il sovrapposizione con la chiave A. 
	NOTA: I tasti A, B e C sono identici. Possono essere stampati tasti aggiuntivi poiché sono progettati come componenti sacrificali che si rompono prima che altre parti dell'apparato subiscano danni.</li>
	<li>Avvolgere 10 cm di cavo d'acciaio multitraccia intorno al moschettone A e fissarlo con un pressacavo. Avvolgere l'estremità opposta intorno a un fissaggio per telaio in alluminio, schiacciare il cavo con il pressacavo e fissare il connettore al telaio. 
	NOTA: Questo insieme verrà indicato in seguito come bullone di sicurezza.</li>
	<li>Creare un anello utilizzando una cinghia di trasmissione lunga 40 cm con un sovrapposizione di 2 cm e inserire l'anello nella Chiave B. Passare l'estremità opposta attorno al Moschettone B e fissare il punto di sovrapposizione utilizzando la Chiave C.</li>
	<li>Inserire la chiave B nel livello più grande del componente ingranaggio esterno.</li>
	<li>Attaccare il supporto per smartphone da braccio al moschettone B utilizzando l'occhiello del bracciale o gli alloggiamenti per il cavo delle cuffie.</li>
	<li>Sospendere il peso iniziale desiderato dal moschettone B utilizzando un filo d'acciaio piegato ad anello e schiacciato.</li>
</ol>
2. Configurazione dell'acquisizione dei dati
<ol>
	<li>Installare l'applicazione di acquisizione dati su uno smartphone dotato di accelerometro.</li>
	<li>Aprire il modulo Acceleration (without g).</li>
	<li>Posizionare lo smartphone nel supporto da braccio fissato al moschettone B.</li>
	<li>Raccogliere i dati secondo la sezione 3.</li>
	<li>Esportare i dati registrati come file .xls. Assegnare un nome file univoco corrispondente al partecipante.</li>
	<li>Trasferire il file .xls su un computer con accesso a internet.</li>
	<li>Elaborare i dati utilizzando Supplemental Coding File 1 
	NOTA: Lo script calcola la velocità mediante integrazione forward di Eulero dell'accelerazione verticale misurata (Equazione 3). La posizione viene calcolata utilizzando l'equazione cinematica a accelerazione costante (Equazione 4). I calcoli utilizzano i valori grezzi di accelerazione senza smoothing né filtraggio. 
	Equazione 3: vi = vi-1&#160;+ ai&#160;∆t 
	Equazione 4:&#160;&#160;<img alt="Equazione 4" src="/files/ftp_upload/71757/71757eq4.jpg" style="margin:auto;" />
	<ol>
		<li>Installare Supplemental Coding File 1.</li>
		<li>Installare Python sul computer utilizzato per l'elaborazione dei dati.</li>
		<li>Aprire una finestra del terminale ed eseguire: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.</li>
		<li>Posizionarsi 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.</li>
		<li>Fare clic su Upload e selezionare il file .xls esportato.</li>
		<li>Fare clic su Process Data per caricare ed analizzare il dataset.</li>
		<li>Esaminare i grafici di accelerazione, velocità e posizione generati per la prima prova.</li>
		<li>Selezionare i picchi rilevati corrispondenti a contrazioni muscolari valide utilizzando le caselle di controllo affiancate 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 pertanto richiede una verifica manuale.</li>
		<li>Regolare i parametri di rilevamento dei picchi 
		NOTA: Se il software non identifica correttamente i picchi, espandere Advanced Tweakables &#62; Peak Detection Parameters e regolare le impostazioni di rilevamento.
		<ol>
			<li>Regolare Zero Threshold per definire l'intervallo di accelerazione considerato stazionario. 
			NOTA: Aumentare questo valore quando gli andamenti di 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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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 azzerano correttamente. Valore predefinito = 10. Intervallo suggerito = 3–25.</li>
			<li>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.</li>
			<li>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.</li>
			<li>Regolare Min Peak Prominence per definire la prominente richiesta per il rilevamento dei picchi. 
			NOTA: Valori più bassi aumentano la sensibilità e potrebbero identificare picchi aggiuntivi. Valore predefinito = 0,10. Intervallo suggerito = 0,01–0,90. La modifica è generalmente non necessaria.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>Dopo aver identificato tutti i picchi validi per la prova corrente, fare clic su Next per passare alla prova successiva.</li>
		<li>Ripetere i passaggi 2.7.7–2.7.10 fino a quando tutte le prove non sono state elaborate. 
		NOTA: Non modificare i parametri di rilevamento dei picchi dopo aver elaborato la prima prova. Se diventa necessario modificare i parametri, ripetere l'analisi per tutte le prove precedentemente elaborate utilizzando le nuove impostazioni.</li>
		<li>Copiare i dati di velocità e accelerazione selezionati in un foglio di calcolo per successive analisi forza–velocità–potenza.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. Protocollo sperimentale 
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Posizionare il puntello per le dita sul pollice del partecipante e fissarlo saldamente.</li>
	<li>Eliminare il gioco nel sistema della puleggia ruotando la puleggia attraverso il meccanismo a scatto finché il cinghino di temporizzazione non risulti teso. 
	NOTA: Il meccanismo a scatto emette un clic udibile quando avanza tra una posizione e l'altra.</li>
	<li>Scorrere il bullone di sicurezza verso la puleggia finché il filo che collega il bullone di sicurezza e il moschettone A non risulti teso.</li>
	<li>Selezionare due pesi di massa approssimativamente uguale, ciascuno del peso di circa 1,25 kg.</li>
	<li>Sequenza fissa di prova
	<ol>
		<li>Testare il livello più grande, quello intermedio e quello più piccolo utilizzando un peso e lo smartphone.</li>
		<li>Testare il livello più piccolo, quello intermedio e quello più grande utilizzando due pesi e lo smartphone.</li>
		<li>Testare il livello più grande e quello più piccolo utilizzando soltanto lo smartphone. 
		NOTA: Utilizzare la stessa sequenza per tutti i partecipanti per ridurre al minimo il bias legato all'affaticamento.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Toccare Inizia registrazione nell'applicazione di acquisizione dati.</li>
	<li>Chiedere al partecipante di contrarre il pollice nel modo più rapido e vigoroso possibile. 
	NOTA: La motivazione del partecipante può influenzare notevolmente la prestazione. Fornire incoraggiamenti verbali costanti durante tutta la procedura per favorire uno sforzo massimale.</li>
	<li>Sospendere la registrazione dei dati dopo ogni prova. Regolare il livello della puleggia e la condizione di carico secondo la sequenza stabilita al punto 3.6.</li>
	<li>Riprendere la registrazione dei dati e ripetere i passaggi da 3.8 a 3.9 fino a completare tutte e otto le combinazioni di livello della puleggia e carico.</li>
	<li>Monitorare il partecipante per tutta la durata della prova e ripetere le prove compromesse da movimenti eccessivi dell'avambraccio o da sforzi incompleti.</li>
	<li>Esaminare il tracciato 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.</li>
	<li>Registrare appunti per ogni prova, indicando prove ripetute o escluse, al fine di facilitare l'analisi successiva dei dati.</li>
</ol>
4. Utilizzo dell'ergometro secondo lo standard aureo
<ol>
	<li>Configurare l'ergometro di riferimento
	<ol>
		<li>Accendere il computer e avviare il software di acquisizione dati. Aprire il file della procedura per il sistema a leva bimodale.</li>
		<li>Impostare l'offset della forza a 10 e l'offset della lunghezza a 9 sull'unità di controllo della leva.</li>
		<li>Accendere il sistema a leva bimodale e l'unità di acquisizione dati.</li>
		<li>Verificare il corretto funzionamento del motore ruotando delicatamente la leva e confermando la presenza di resistenza.</li>
		<li>Far passare 40 cm di cavo in acciaio multitraccia attraverso il secondo foro dal basso della leva e fissare il cavo con un pressacavo.</li>
		<li>Far passare l'estremità opposta del cavo attraverso la staffa per le dita e fissarla con un pressacavo.</li>
		<li>Montare il sistema a leva bimodale sul telaio, posizionandolo a 3 pollici davanti al bracciolo.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Fissare l'avambraccio del partecipante al bracciolo e posizionare il pollice all'interno della staffa per le dita.</li>
	<li>Scorrere in avanti il braccio del partecipante finché il pollice non raggiunge la massima flessione e il cavo risulti leggermente in tensione.</li>
	<li>Stringere sufficientemente la cinghia dell'avambraccio per impedire movimenti del braccio in avanti o lateralmente.</li>
	<li>Configurare le impostazioni di acquisizione dati
	<ol>
		<li>Aprire&#160;Scan Control Device Dev6.</li>
		<li>Impostare Numero di campioni&#160;a&#160;60.000.</li>
		<li>Impostare Campioni di media&#160;a&#160;1.</li>
		<li>Impostare Periodo di campionamento&#160;a&#160;0,0001.</li>
		<li>Impostare Periodo di conversione&#160;a&#160;0.</li>
		<li>Impostare Campioni post-trigger&#160;a&#160;0.</li>
		<li>Impostare Sorgente del trigger di riferimento&#160;a&#160;/Dev6/PFI1.</li>
		<li>Impostare Tipo 2x&#160;a&#160;Digitale.</li>
		<li>Impostare 2x Lever1&#160;a&#160;0.</li>
		<li>Impostare 2x Lever2&#160;a&#160;0.</li>
		<li>Impostare Modalità&#160;a&#160;One Shot.</li>
		<li>Impostare Ritorno immediato&#160;a&#160;Disattivato.</li>
		<li>Impostare Trigger di avvio&#160;a&#160;Disattivato.</li>
		<li>Impostare Sorgente del trigger&#160;a&#160;/Dev6/PFI0.</li>
		<li>Impostare Clock del campione&#160;a&#160;Disattivato.</li>
		<li>Impostare Sorgente del clock&#160;a&#160;/Dev6/PFI7.</li>
		<li>Impostare Clock di conversione&#160;a&#160;Disattivato.</li>
		<li>Impostare Sorgente del clock di conversione&#160;a&#160;/Dev6/PFI2.</li>
		<li>Selezionare Canale 1 + Canale 2&#160;sotto Seleziona canali da acquisire.</li>
	</ol>
	 </li>
	<li>Fare clic su Avvia in Scan Control Device e chiedere al partecipante di contrarre il pollice nel modo più rapido e vigoroso possibile. 
	NOTA: La motivazione del partecipante può influenzare notevolmente la prestazione. Fornire incoraggiamenti verbali costanti durante il test per promuovere uno sforzo massimale.</li>
	<li>Fare clic su GetWaves e salvare i dati risultanti utilizzando l'identificativo del partecipante e il valore corrente dell'offset della forza. 
	NOTA: Per la prima contrazione, l'offset della forza è 10.</li>
	<li>Ridurre l'offset della forza a incrementi di 1,0. 
	NOTA: Esempio di progressione: 10,0 &#62; 9,0 &#62; 8,0.</li>
	<li>Ripetere i passaggi da 4.6 a 4.8 finché il motore non offra alcuna resistenza percettibile al movimento del pollice.</li>
	<li>Estrarre i valori di forza massima e velocità massima da ogni prova utilizzando la procedura di analisi descritta in Supplemental Coding File 2.</li>
</ol>

<ol>
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</ol>

Gli autori non hanno dichiarazioni da fare.

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...

Il muscolo striato è il motore responsabile del movimento scheletrico negli esseri umani e in altri animali. Comprendere la sua unica composizione gerarchica è reso complesso da fattori multiscale che influenzano la generazione della forza e la produzione di lavoro1,2. Forse a causa di queste complessità, la funzione muscolare può risultare un aspetto trascurato nei programmi di anatomia e fisiologia, poiché gli educatori non dispongono degli strumenti necessari per illustrare adeguatamente gli aspetti fondamentali e più affascinanti della funzione muscolare3,4,5,6.
La funzione muscolare è stata storicamente descritta attraverso diversi paradigmi duraturi, nessuno dei quali più ampiamente riconosciuto del compromesso forza-velocità inizialmente caratterizzato quasi un secolo fa da Archibald Vivian Hill1,2,3,4,5,6. Questa relazione fisiologica fondamentale descrive il compromesso tra la velocità di contrazione muscolare e la forza, in base al quale le contrazioni isometriche o quelle con accorciamento molto lento sono generalmente le più forti, producendo la forza muscolare massima (Fmax), mentre le contrazioni isotoniche più veloci, che si avvicinano alla velocità muscolare massima (Vmax), sono tipicamente le più deboli1. Quando Hill descrisse nel 1938 la relazione forza-velocità-potenza (FVP), introdusse una funzione che ancora oggi porta il suo nome. L'equazione di Hill (Equazione 1) mette in relazione la forza massima generata durante una contrazione isometrica (con estremità muscolari fisse) con la velocità massima raggiunta in assenza di un carico esterno.
Equazione 1:&#160;(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&#160;costanti che descrivono la relazione forza–velocità e le proprietà energetiche dell'accorciamento muscolare1.
Incorporati 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 Vmax7. La velocità alla quale&#160;&#160;Pmax&#160;si verifica è definita velocità ottimale (Vopt), e la sua posizione all'interno dell'intervallo di velocità di accorciamento (da V0 a Vmax) rappresenta una caratteristica importante delle relazioni forza–velocità e potenza–velocità. Ad esempio, una Vopt maggiore comporta che la potenza massima venga sviluppata a una velocità di accorciamento più elevata. All'interno della relazione forza–velocità stessa, la forza massima (Fmax) e la velocità massima (Vmax) sono collegate da relazioni intermedie forza–velocità in modo curvilineo (Figura 5A). Le relazioni tipiche forza–velocità e potenza–velocità ottenute con la metodologia descritta sono mostrate nella Figura 1.&#160;La pendenza di questa curva è detta curvatura della relazione forza–velocità, che descrive la velocità di riduzione della forza con l'aumento della velocità. La curvatura è definita come a/Fmax8, dove a è&#160;la costante termodinamica nell'equazione di Hill che quantifica la produzione di calore per attrito da parte di un muscolo che si accorcia senza carico1. La curvatura influenza la posizione di Vopt sulla curva forza–velocità e determina quanto forza un muscolo può generare a una data velocità di accorciamento. La curvatura&#160;è stata descritta anche mediante il rapporto di potenza muscolare (Equazione 2)9.&#160;
Equazione 2:&#160;&#160;<img alt="Equazione 2" src="/files/ftp_upload/71757/71757eq2.jpg" style="margin:auto;" />
dove Pmax è il massimo output 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 è stato dimostrato migliorare il mantenimento delle conoscenze10. Inoltre, l'apprendimento sperimentale è noto 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 dei muscoli, come i sistemi a leva servomotori a doppia modalità, sono altamente precisi e accurati, ma comportano costi proibitivi e pertanto rappresentano barriere sostanziali 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'apparecchiatura si basa su una puleggia stampata in 3D che incorpora un ingranaggio a ruota a denti e scatto, e utilizza profili in alluminio scanalati disponibili in commercio, filo rigido e uno smartphone montato su un supporto portatile 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 generalmente dotati di accelerometri precisi e robusti11. L'utilità degli smartphone come strumenti scientifici di misurazione è stata dimostrata in precedenza, inclusa l'integrazione di un accelerometro per smartphone disponibile in commercio nell'unità di misurazione inerziale dell'elicottero marziano Ingenuity12.
Sebbene esistano alcuni strumenti economici per l'insegnamento della fisiologia muscolare, questi affrontano concetti diversi: Judge et al.6 hanno sviluppato&#160;attività basate su SpikerBox a basso costo per registrare l'attività elettrica muscolare, e Medeiros et al.10 hanno creato un modello bidimensionale economico del sarcomero per dimostrare la meccanica legata alla titina. Tuttavia, nessuno strumento economico attualmente disponibile consente agli studenti di misurare direttamente le relazioni forza-velocità-potenza (FVP) di un muscolo umano in contrazione e di generare dati quantitativi paragonabili a quelli della ricerca. L'apparato qui presentato 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 per la FVP a basso costo, con una validazione incrociata rispetto allo standard industriale riconosciuto. Le analisi di validazione si basano su confronti a coppie delle cinque variabili riassuntive della FVP comunemente 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 valida conferma della corrispondenza, l'apparato a basso costo potrà democratizzare lo studio in aula della fisiologia muscolare e della biomeccanica muscoloscheletrica, riducendo l'onere economico relativo all'acquisto dell'apparecchiatura, mantenendo al contempo l'accuratezza sperimentale e quindi il rigore scientifico. Si prevede che l'apparato a basso costo possa ispirare e permettere a studenti e docenti nei corsi 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 lezioni in aula potranno raggiungere una comprensione multimodale e un miglior apprendimento duraturo.

<table><tbody><tr><td>Pesi da 1,25 kg</td><td>NEXO Fitness</td><td>ASIN: B09JHQ6QB8</td><td>Può essere sostituito con pesi generici di circa 1-2 kg&lt;br/&gt; quantità necessaria: 2</td></tr><tr><td>Cinghia di temporizzazione per stampante 3D</td><td>&amp;lrm;Cinghia per stampante 3D da 10 m</td><td>ASIN: B08974S1CC</td><td>Può essere sostituita con cinghie di temporizzazione generiche per stampanti 3D: passo da 2 mm, larghezza da 6 mm, in gomma e fibra di vetro&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>3DPart1 - Pignone interno</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Vedi STL supplementari - Stampare in ABS&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>3DPart2 - Pignone esterno</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Vedi STL supplementari - Stampare in ABS&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>3DPart3 - Chiave</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Vedi STL supplementari - Stampare 3-5 volte in ABS&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>3DPart4 - Supporto forza</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Vedi STL supplementari - Stampare in PLA&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Trave in alluminio lunga</td><td>80/20 inc</td><td>1020</td><td>1 in x 2 in x 32 in&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Trave in alluminio corta</td><td>80/20 inc</td><td>1010</td><td>1 in x 1 in x 12 in&lt;br/&gt; quantità necessaria: 2</td></tr><tr><td>Dispositivo di fissaggio per telaio in alluminio / Bullone di sicurezza</td><td>80/20 inc</td><td>4108</td><td>&amp;nbsp;quantità necessaria: 3</td></tr><tr><td>Supporto per braccio</td><td>&amp;nbsp;FEATOL</td><td>ASIN: B0CGX8QZ3C</td><td>Può essere sostituito con un supporto per braccio generico&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Blocco in policloruro di vinile cellulare per appoggio del braccio</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Spessore Solo Tradizionale</td><td>14 in x 6 1/2 in x 3/4 in&lt;br/&gt; quantità necessaria: 14</td></tr><tr><td>Moschettoni</td><td>Rewoalzx</td><td>ASIN:&amp;nbsp; B0FB3VYV3N&amp;nbsp;</td><td>quantità necessaria: 2</td></tr><tr><td>Cuscinetti a sfera in acciaio legato al cromo</td><td>uxcell</td><td>UXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJ</td><td>Dimensioni: diametro interno 10 mm, diametro esterno 22 mm, larghezza 6 mm.&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Excel/Foglio di calcolo</td><td>Microsoft</td><td>Excel</td><td>Può essere sostituito con qualsiasi software per fogli di calcolo&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Supporto per dita</td><td>Sopito</td><td>ASIN:&amp;nbsp; B0B5C6RWR4&amp;nbsp;</td><td>Può essere sostituito con un supporto per dita generico&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>IGOR 8 PRO</td><td>Wavemetrics.com</td><td>8 PRO</td><td>Utilizzato con l'apparecchiatura Aurora Scientific e per il calcolo di a/Fmax.&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Pannello grande in policloruro di vinile cellulare</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Spessore Solo Tradizionale</td><td>6 3/4 in x 7 in x 3/4 in&lt;br/&gt; quantità necessaria: 2</td></tr><tr><td>Albero in metallo</td><td>Generico</td><td>ASIN: B0CC8T8X77</td><td>Barra d'acciaio spessa 9,97 mm, lunga 45 cm.&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Filo d'acciaio multifilamento&amp;nbsp;</td><td>Catch All Tackle</td><td>ASIN: B00JTWDSQS</td><td>Diametro 1,4 mm, portata #400 lb&lt;br/&gt; quantità necessaria: 2</td></tr><tr><td>Supporto per telefono</td><td>Tribe</td><td>ASIN: B00SXRXUFE</td><td>quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>App Phyphox</td><td>Phyphox.org</td><td>N/A</td><td>Scaricare dall'Apple App Store o dal Google Play Store&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Script Python</td><td>N/A</td><td>N/A</td><td>Disponibile per il download: Documento supplementare 1 muscle_velocity_gui.py&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Pannello piccolo in policloruro di vinile cellulare</td><td>Azek board</td><td>8/4 X Spessore Solo Tradizionale</td><td>1 in x 3 1/4 in x 3/4 in&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Smartphone</td><td>Apple</td><td>IPhone 11</td><td>Può essere sostituito con qualsiasi smartphone dotato di accelerometro&lt;br/&gt; quantità necessaria: 1</td></tr><tr><td>Pressacavi per filo d'acciaio</td><td>Catch All Tackle</td><td>ASIN: B00JTWDSQS</td><td>Portata #400 lb&lt;br/&gt; quantità necessaria: 6</td></tr><tr><td>Tappi</td><td>Befenybay</td><td>ASIN: B0B1C6BPKQ</td><td>diametro interno 10 mm, diametro esterno 20 mm, larghezza 20 mm&lt;br/&gt; quantità necessaria: 2</td></tr></tbody></table>

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

A Low-Cost Apparatus for Measuring Muscle Force&#8211;Velocity Relationships

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 &#62; 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.

I dati di 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 riportati nella Figura 3.
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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.

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

La relazione tra forza muscolare, velocità contrattile e potenza rappresenta un paradigma quasi centenario della fisiologia e un pilastro della nostra ...

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Myo-meccanico Analisi dei isolata del muscolo scheletrico

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Misure di forza possono essere utilizzati per dimostrare i cambiamenti nella funzione muscolare a causa di sviluppo, infortunio, malattia, trattamento o tossicità chimica. In questo video, dimostriamo un metodo per misurare la forza durante una contrazione massimale di zebrafish muscolare tronco larvale.

Misura della forza durante la contrazione per valutare la funzione muscolare in larve Zebrafish

Descriviamo un nuovo vettore tessuto Doppler tecnica di imaging basato su ultrasuoni per misurare la velocità di contrazione muscolare, deformazione e velocità di deformazione con sub-millisecondo risoluzione temporale durante le attività dinamiche. Questo approccio fornisce misurazioni complementari della funzione muscolare dinamico e potrebbe portare ad una migliore comprensione dei meccanismi alla base di disturbi muscolo-scheletrici.

Una applicazione Novel di muscoloscheletrico Ultrasound Imaging

Analisi delle proprietà contrattili delle fibre muscolari chimicamente dalla pelle, o permeabilizzate, scheletriche offre un potente strumento con cui valutare la funzione muscolare a livello della cellula muscolare singolo. In questo articolo descriviamo una tecnica valida e affidabile per preparare e testare permeabilizzate fibre muscolari scheletriche in vitro.

Misurazione della massima isometrica forza generata dal permeabilizzate scheletrici fibre muscolari

Presentato qui è un protocollo per la registrazione dei cicli di recupero della velocità muscolare (MVRC), un nuovo metodo di esame delle proprietà della membrana muscolare. Gli MVRC consentono la valutazione in vivo del potenziale della membrana muscolare e alterazioni della funzione del canale ionico muscolare in relazione alla patologia e consentono la dimostrazione della depolarizzazione muscolare nei muscoli neurogenici.

Cicli di recupero della velocità muscolare per esaminare le proprietà della membrana muscolare

Sono stati sviluppati metodi semplici e accessibili per misurare l'aspetto motorio dell'affaticamento legato al cancro in modo oggettivo e quantitativo. Descriviamo, in dettaglio, modi per amministrare il test di fatica fisica utilizzando un semplice dispositivo di handgrip e metodi per calcolare gli indici di fatica.

Misurazione dell'aspetto motorio della fatica correlata al cancro utilizzando un dinamometro palmo

Presentato qui è un protocollo per valutare le proprietà contraili dei miofibrili muscolari striati con risoluzione nano-Newton. Il protocollo utilizza una configurazione con una sonda a forza ottica basata sull'interferometria. Questa configurazione genera dati con un elevato rapporto segnale-rumore e consente la valutazione della cinetica contrattinale delle miofibrils.

Isolamento di Myofibrils da biopsie muscolari scheletriche e determinazione della funzione Contractile con un trasduttore della forza di risoluzione Nano-Newton

Il presente protocollo descrive dettagli sperimentali concisi sulla valutazione e l'interpretazione dei dati di coppia in vivo ottenuti tramite stimolazione elettrica del nervo peroneale comune in suini anestetizzati.

In vivo Misurazione della coppia isometrica del dorsiflexor hindlimb da pig

Qui, presentiamo un nuovo protocollo per misurare in modo non invasivo la relazione coppia-velocità angolare-potenza in vivo nei flessori plantari di ratto utilizzando la stimolazione muscolare transcutanea. Questa configurazione consente di testare facilmente le contrazioni muscolari isotoniche su un trasduttore di forza/sistema di controllo della lunghezza per rappresentare meglio la natura a carico costante dei movimenti quotidiani.

Costruzione di profili coppia-velocità-potenza a carico costante (isotonico) e a velocità costante (isocinetica) in vivo per i flessori plantari di ratto

Questo protocollo è pensato per dimostrare come i clinici possano valutare la relazione coppia-velocità dopo la ricostruzione del legamento crociato anteriore.

Quantificazione del recupero dopo la ricostruzione del legamento crociato anteriore utilizzando la relazione coppia-velocità

University of Massachusetts Lowell.  An accessible, low-cost apparatus for measuring human muscle force–velocity–power relationships was developed using inexpensive materials, a 3D-printed gear, a smartphone accelerometer, and Python freeware. Validation against a gold-standard ergometer demonstrated physiologically relevant measurements while providing equitable, hands-on learning opportunities in an undergraduate classroom setting.

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

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