Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Недорогое устройство для измерения зависимости силы мышц от скорости их сокращения

201 просмотров

⸱

DOI:

10.3791/71757

⸱

14 августа 2026 г.

 , 
1Department of Biological Sciences, University of Massachusetts Lowell

В этой статье

Краткое содержание

С помощью недорогих материалов, шестерни, напечатанной на 3D-принтере, акселерометра смартфона и бесплатного программного обеспечения на языке Python была разработана доступная и недорогая установка для измерения зависимости силы, скорости и мощности человеческих мышц. Валидация по сравнению с эталонным эргометром продемонстрировала физиологически значимые результаты измерений, обеспечивая при этом равные возможности для практического обучения в условиях учебных курсов для студентов бакалавриата.

Аннотация

Взаимосвязь между мышечным усилием, скоростью сокращения и мощностью представляет собой парадигму в физиологии с почти столетней историей и является краеугольным камнем нашего понимания функционирования опорно-двигательного аппарата. Однако эта парадигма редко изучается непосредственно в учебных курсах по физиологии и биомеханике из-за непомерно высокой стоимости необходимого оборудования. Целью данной работы стала разработка и валидация недорогого устройства на основе системы шкивов, напечатанных на 3D-принтере, с использованием механизма храповика и собачки, которое можно легко собрать и настроить для сбора данных о силе, скорости и мощности мышц пальцев человека с помощью акселерометра смартфона и бесплатного приложения Phyphox. Специальный скрипт на языке Python преобразует необработанные измерения акселерометра в показатели скорости и мощности, которые затем сравниваются для каждого испытуемого с измерениями, полученными с помощью эталонной двухрежимной рычажной системы. Попарное сравнение пяти сводных переменных (пиковая сила, Fmax; пиковая скорость, Vmax; пиковая мощность, Pmax; оптимальная скорость, Vopt; и кривизна зависимости силы от скорости, a/Fmax) не выявило статистически значимых различий между данными о силе, скорости и мощности, собранными с помощью двух устройств (парный t-критерий, p > 0,05). Таким образом, без существенного снижения качества данных, недорогое устройство представляет собой доступный, безопасный и экономически эффективный способ обучения и изучения биомеханических и физиологических принципов. Данный аппарат обладает потенциалом для демократизации образования в области физиологии и биомеханики мышц, особенно в недостаточно финансируемых и ограниченных в ресурсах образовательных учреждениях по всему миру.

Введение

Поперечнополосатая мышца представляет собой двигатель, который обеспечивает скелетные движения у людей и других животных. Понимание ее уникального иерархического состава осложняется многомасштабными факторами, влияющими на генерацию силы и совершение работы1,2. Возможно, из-за этих сложностей функции мышц могут занимать второстепенное место в программах по анатомии и физиологии, поскольку преподавателям не хватает инструментов, необходимых для надлежащей демонстрации фундаментальных и наиболее захватывающих аспектов функционирования мышц3,4,5,6.

Функции мышц исторически описывались с помощью нескольких устойчивых парадигм, наиболее признанной из которых является зависимость силы от скорости, впервые охарактеризованная почти столетие назад Арчибальдом Вивианом Хиллом1,2,3,4,5,6. Эта фундаментальная физиологическая взаимосвязь описывает компромисс между скоростью сокращения мышцы и развиваемой силой, при котором изометрические сокращения или сокращения с очень медленным укорочением, как правило, являются наиболее сильными, обеспечивая пиковую мышечную силу (Fmax), в то время как самые быстрые изотонические сокращения, приближающиеся к пиковой скорости мышцы (Vmax), обычно являются самыми слабыми1. Когда Хилл описал зависимость силы, скорости и мощности (FVP) в 1938 году, он представил функцию, которая до сих пор носит его имя. Уравнение Хилла (Уравнение 1) связывает пиковую силу, развиваемую при изометрическом сокращении (с фиксированными концами мышцы), с пиковой скоростью, достигаемой при отсутствии внешней нагрузки.

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

где v — скорость укорочения, F — мышечная сила, Fmax — максимальная изометрическая сила, а a и b —  константы, описывающие зависимость силы от скорости и энергетические свойства укорочения мышц1.

В этой фундаментальной взаимосвязи заложено несколько ключевых концепций функционирования мышц, представленных пятью количественными параметрами, которые определяют зависимость FVP. Произведение мгновенной силы мышцы и скорости является мощностью, которая обычно достигает максимального значения (Pmax) примерно при одной трети Vmax7. Скорость, при которой  достигается Pmax , называется оптимальной скоростью (Vopt), и ее положение в диапазоне скоростей сокращения (от V0 до Vmax) является важной характеристикой зависимостей сила–скорость и мощность–скорость. Например, более высокая Vopt приводит к тому, что пиковая мощность достигается при более высокой скорости сокращения. В самой зависимости сила–скорость пиковая сила (Fmax) и пиковая скорость (Vmax) связаны промежуточными значениями силы и скорости нелинейным образом (Рисунок 5A). Типичные зависимости сила–скорость и мощность–скорость, полученные с использованием данной методики, показаны на Рисунке 1. Наклон этой кривой называют кривизной зависимости сила–скорость, которая описывает скорость снижения силы при увеличении скорости. Кривизна определяется как a/Fmax8, где a — это термодинамическая константа в уравнении Хилла, которая количественно определяет генерацию фрикционного тепла при сокращении разгруженной мышцы1. Кривизна влияет на положение Vopt на кривой сила–скорость и определяет, какую силу может развить мышца при данной скорости сокращения. Кривизна также описывалась с помощью коэффициента мышечной мощности (Уравнение 2)9. 

Уравнение 2:  figure-introduction-1

где Pmax — максимальная мощность мышцы, а Vmax и Fmax — максимальная скорость сокращения и максимальная изометрическая сила соответственно.

Интуитивно понятный характер зависимостей силы от скорости и мощности от скорости обеспечивает эффективные точки входа при изучении функций мышц в рамках курсов наук о жизни. Важность предоставления студентам возможностей для практического освоения материала с целью формирования более полного понимания зависимостей FVP подчеркивается тем фактом, что практическое обучение, как было показано, способствует лучшему закреплению знаний10. Более того, известно, что экспериментальное обучение укрепляет базу для оценки функций мышц как в контексте фундаментальной науки, так и в качестве подготовки к профессиональной деятельности в сфере здравоохранения, включая профилактику травм, реабилитацию и физическую подготовку.

Традиционные приборы для тестирования физиологических свойств мышц, такие как двухрежимные сервоприводные рычажные системы, обладают высокой точностью и прецизионностью, однако их стоимость чрезмерно высока, что создает существенные препятствия для их внедрения в большинстве учебных аудиторий7. Для устранения этих ограничений и расширения возможностей практического обучения была разработана недорогая альтернатива. Аппарат построен на базе напечатанного на 3D-принтере шкива с механизмом храповика и собачки; в нем используются стандартные алюминиевые направляющие с прорезями, жесткая проволока и закрепленный в держателе смартфон с установленным бесплатным приложением для сбора данных (Рисунок 2). Смартфон был выбран вместо специализированных устройств для измерения ускорения, поскольку смартфоны широко доступны и, как правило, оснащены точными и надежными акселерометрами11. Полезность смартфонов в качестве измерительных приборов для научных исследований была продемонстрирована ранее, в том числе путем интеграции коммерчески доступного акселерометра смартфона в инерциальный измерительный блок марсианского вертолета Ingenuity12.

Несмотря на существование нескольких недорогих инструментов для изучения физиологии мышц, они направлены на разные концепции: Judge et al.6 разработали доступные задания на базе SpikerBox для регистрации электрической активности мышц, а Medeiros et al.10 создали недорогую 2D-модель саркомера для демонстрации механики, связанной с титином. Однако ни один из существующих бюджетных инструментов не позволяет студентам напрямую измерять зависимость силы от длины (FVP) сокращающейся мышцы человека и получать количественные данные, сопоставимые с результатами исследований. Данный аппарат призван восполнить этот пробел, обеспечивая измерения FVP, валидированные по золотому стандарту, при стоимости менее 300 долларов США.

В данном исследовании описывается создание недорогого аппарата для измерения зависимости силы от скорости (FVP) с перекрестной проверкой по сравнению с отраслевым золотым стандартом. Анализ валидации основан на попарном сравнении пяти признанных суммарных переменных FVP, измеренных у одних и тех же испытуемых на обоих аппаратах. В ходе анализа проверяется гипотеза о том, что оба аппарата генерируют эквивалентные кривые зависимости силы от скорости и мощности от скорости. При успешной перекрестной проверке недорогой аппарат может сделать доступными учебные исследования физиологии мышц и биомеханики опорно-двигательного аппарата, снизив финансовый барьер для приобретения оборудования при сохранении точности экспериментов и, следовательно, научной строгости. Ожидается, что доступный аппарат вдохновит и позволит студентам и преподавателям физиологии и биомеханики по всему миру, которые уже изучают и преподают анатомию мышц, практически исследовать одну из самых фундаментальных характеристик мышечной функции. Включение практической деятельности по получению физиологических измерений позволит добиться мультимодального понимания и лучшего запоминания материала в учебных группах.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Все эксперименты, легшие в основу данной публикации, были одобрены Институциональным наблюдательным советом Университета Массачусетса в Лоуэлле (протокол № 21-163-KON-XPD).

ПРИМЕЧАНИЕ: В данной установке используется смартфон, подвешенный с внешними грузами на системе блоков, напечатанных на 3D-принтере. Данные об ускорении собираются с частотой 100 Hz с помощью приложения для сбора данных на базе смартфона. Сила рассчитывается путем умножения общей массы смартфона и внешнего груза на ускорение. Скорость определяется путем интегрирования ускорения, а мощность рассчитывается как произведение силы на скорость (Дополнительный файл с кодом 1).

1. Сборка аппаратуры

  1. Прикрепите две короткие алюминиевые балки к нижней стороне одной длинной алюминиевой балки с помощью алюминиевых крепежных элементов для рамы. Расположите короткие балки примерно в 8 cm от каждого конца длинной балки, чтобы сформировать устойчивое, негибкое основание.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Данный узел далее именуется «рама».
  2. Соберите крепление шкива
    1. Расположите большой блок из вспененного поливинилхлорида так, чтобы сторона 7 in была ориентирована вертикально, а сторона 6.75 in — горизонтально.
    2. Отмерьте 2.75 in от нижнего левого угла вдоль левого края и отметьте это место.
    3. Отмерьте 2.75 in от верхнего левого угла вдоль верхнего края и отметьте это место.
    4. Проведите прямую линию, соединяющую две отмеченные точки.
    5. Отрежьте по отмеченной линии и удалите полученный треугольный сегмент.
    6. Просверлите отверстие диаметром 7/16 in на расстоянии 1.25 in от верхнего правого угла.
    7. Повторите шаги 1.2.1–1.2.6 для второго большого блока.
    8. Расположите малый блок из вспененного поливинилхлорида позади рамы.
    9. Закрепите оба больших блока на малом блоке так, чтобы расстояние между ними составляло 8 in. Ориентируйте диагональные срезы над малым блоком, а просверленные отверстия расположите за краем малого блока.
  3. Надежно зажмите крепление шкива на углу стола или столешницы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Расположите крепление так, чтобы шкив выступал за край стола. Это предотвратит соприкосновение подвешенных грузов и смартфона с ножками стола во время сокращений.
  4. Соберите и прикрепите подлокотник
    1. Разрежьте блок подлокотника из вспененного поливинилхлорида длиной 14 in на три части: две секции по 1.5 in и одну секцию 3.5 in.
    2. Вырежьте в верхней поверхности каждой меньшей секции паз размером 2 in x 1/8 in, расположив его в 1 in от переднего края.
    3. Закрепите меньшие секции на нижней стороне большей секции с каждого конца. Совместите пазы друг с другом.
    4. Покройте верхнюю поверхность большей секции липучкой (застежкой-липучкой).
    5. Проденьте ремень для предплечья через два паза.
    6. Прикрепите подлокотник к раме с помощью болтов и вставных Т-образных гаек. Расположите подлокотник в 14 in от крепления шкива так, чтобы ремень для предплечья был направлен в сторону от шкива.
  5. Вставьте шарикоподшипники в пазы компонентов внутренней и внешней шестерен (Supplemental File 1).
  6. Проденьте 40 cm зубчатого ремня через боковую прорезь компонента внутренней шестерни. Сформируйте петлю с перекрытием 2 cm и зафиксируйте перекрытие внутри прорези.
  7. Вставьте металлический вал через левое крепление шкива, стопор, компонент внутренней шестерни, силовой элемент, компонент внешней шестерни, второй стопор и правое крепление шкива.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Ориентируйте боковую прорезь внутренней шестерни в сторону рамы. Расположите оба стопора на расстоянии 1 mm от каждой стороны узла шкива.
  8. Установите два дополнительных стопора на вал, расположив каждый стопор в 1 mm от креплений шкивов для предотвращения бокового смещения.
  9. Пропустите 40 cm многожильного стального троса через фиксатор пальца и закрепите его обжимкой. Пропустите противоположный конец через карабин A и закрепите второй обжимкой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Карабины A и B идентичны и промаркированы только для удобства идентификации при сборке.
  10. Подсоедините компонент внутренней шестерни к карабину A с помощью закрепленного зубчатого ремня. Зафиксируйте перекрытие с помощью ключа A.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Ключи A, B и C идентичны. Можно распечатать дополнительные ключи, так как они спроектированы как расходные компоненты, которые ломаются раньше, чем будут повреждены другие части аппарата.
  11. Обмотайте 10 cm многожильного стального троса вокруг карабина A и закрепите обжимкой. Обмотайте противоположный конец вокруг алюминиевого крепежного элемента рамы, зажмите трос обжимкой и закрепите крепеж на раме.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Данный узел далее именуется «предохранительный болт».
  12. Сформируйте петлю из 40 cm зубчатого ремня с перекрытием 2 cm и вставьте петлю в ключ B. Обведите противоположный конец вокруг карабина B и зафиксируйте перекрытие с помощью ключа C.
  13. Вставьте ключ B в самый большой ярус компонента внешней шестерни.
  14. Прикрепите держатель наручного ремня для смартфона к карабину B, используя либо петлю ремня, либо отверстия для кабеля наушников.
  15. Подвесьте необходимый начальный груз к карабину B с помощью стального троса, сформированного в петлю и закрепленного обжимкой.

2. Настройка сбора данных

  1. Установите приложение для сбора данных на смартфон, оснащенный акселерометром.
  2. Откройте модуль Acceleration (without g).
  3. Поместите смартфон в держатель-нарукавник, прикрепленный к карабину B.
  4. Соберите данные в соответствии с разделом 3.
  5. Экспортируйте записанные данные в файл формата .xls. Присвойте файлу уникальное имя, соответствующее участнику.
  6. Перенесите .xls файл на компьютер с доступом к интернету.
  7. Обработайте данные с помощью Supplemental Coding File 1
    ПРИМЕЧАНИЕ: Скрипт вычисляет скорость, используя прямое интегрирование Эйлера измеренного вертикального ускорения (Уравнение 3). Положение вычисляется с помощью кинематического уравнения для постоянного ускорения (Уравнение 4). В расчетах используются необработанные значения ускорения без сглаживания или фильтрации.
    Уравнение 3: vi = vi-1 + ai ∆t
    Уравнение 4:  figure-protocol-1
    1. Установите Supplemental Coding File 1.
    2. Установите Python на компьютер, используемый для обработки данных.
    3. Откройте окно терминала и выполните команду: pip install streamlit pandas matplotlib scipy openpyxl xlrd.
    4. Перейдите в папку, содержащую Supplemental Coding File 1, и выполните команду: streamlit run muscle_velocity_gui.py.
      ПРИМЕЧАНИЕ: При использовании Windows PowerShell выполните: python -m streamlit run muscle_velocity_gui.py. Если появится запрос об адресе электронной почты, оставьте поле пустым и нажмите Enter.
    5. Нажмите Upload и выберите экспортированный .xls файл.
    6. Нажмите Process Data, чтобы загрузить и проанализировать набор данных.
    7. Просмотрите графики ускорения, скорости и положения, построенные для первой попытки.
    8. С помощью флажков рядом с каждым пиком выберите обнаруженные пики, соответствующие действительным мышечным сокращениям.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Действительные пики обычно возникают до того, как кривая ускорения становится отрицательной, и связаны с положительными значениями скорости и положения. Алгоритм автоматического обнаружения пиков может ошибочно идентифицировать пики, поэтому требуется ручная проверка.
    9. Отрегулируйте параметры обнаружения пиков
      ПРИМЕЧАНИЕ: Если программное обеспечение неправильно определяет пики, разверните раздел Advanced Tweakables > Peak Detection Parameters и настройте параметры обнаружения.
      1. Отрегулируйте Zero Threshold, чтобы определить диапазон ускорения, считающийся стационарным.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличьте это значение, если кривые ускорения содержат избыточный шум. Порог отображается в виде красных справочных линий на графике ускорения. Значение по умолчанию = 0.30. Рекомендуемый диапазон = 0.10–5.00.
      2. Отрегулируйте Min Velocity for Peak, чтобы определить минимально допустимый пик скорости.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Уменьшите это значение, если действительные пики исключаются. Порог отображается в виде нижней зеленой справочной линии на графике скорости. Значение по умолчанию = 0.30. Рекомендуемый диапазон = 0.10–10.00.
      3. Отрегулируйте Zero Scope, чтобы определить минимальное количество последовательных отсчетов ускорения, близких к нулю, необходимых для идентификации стационарного периода.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Уменьшите это значение, если кривые скорости и положения не сбрасываются. Значение по умолчанию = 10. Рекомендуемый диапазон = 3–25.
      4. Отрегулируйте Max Velocity for Peak, чтобы определить максимально допустимый пик скорости.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Увеличьте это значение, если действительные пики превышают порог. Порог отображается в виде верхней зеленой справочной линии на графике скорости. Значение по умолчанию = 10.00. Рекомендуемый диапазон = 10.00–30.00.
      5. Отрегулируйте Min Peak Distance, чтобы определить минимальное количество отсчетов между обнаруженными пиками.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Значение по умолчанию = 2. Рекомендуемый диапазон = 1–10. Изменение обычно не требуется.
      6. Отрегулируйте Min Peak Prominence, чтобы определить выраженность, необходимую для обнаружения пика.
        ПРИМЕЧАНИЕ: Более низкие значения повышают чувствительность и могут выявить дополнительные пики. Значение по умолчанию = 0.10. Рекомендуемый диапазон = 0.01–0.90. Изменение обычно не требуется.
    10. После идентификации всех действительных пиков для текущей попытки нажмите Next, чтобы перейти к следующей попытке.
    11. Повторяйте шаги 2.7.7–2.7.10 до тех пор, пока все попытки не будут обработаны.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Не изменяйте параметры обнаружения пиков после обработки первой попытки. Если изменение параметров станет необходимым, повторите анализ для всех ранее обработанных попыток с использованием обновленных настроек.
    12. Скопируйте выбранные данные о скорости и ускорении в электронную таблицу для последующего анализа зависимости «сила–скорость–мощность».

3. Экспериментальный протокол

  1. Закрепите предплечье участника на подлокотнике с помощью ремня для предплечья. Затяните ремень достаточно сильно, чтобы предотвратить смещение предплечья вперед.
  2. Наденьте фиксатор на большой палец участника и надежно затяните его.
  3. Уберите слабину из системы блоков, вращая шкив через храповой механизм до тех пор, пока зубчатый ремень не станет натянутым.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Храповой механизм издает слышимый щелчок при переходе между положениями.
  4. Сдвиньте предохранительный болт в сторону шкива, пока трос, соединяющий предохранительный болт и карабин А, не натянется.
  5. Выберите два груза примерно равной массы, весом около 1.25 kg каждый.
  6. Фиксированная последовательность тестирования
    1. Протестируйте самый большой, средний и самый маленький уровни шкива, используя один груз и смартфон.
    2. Протестируйте самый маленький, средний и самый большой уровни шкива, используя два груза и смартфон.
    3. Протестируйте самый большой и самый маленький уровни шкива, используя только смартфон.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте одну и ту же последовательность для всех участников, чтобы минимизировать погрешность, связанную с утомляемостью.
  7. Нажмите Start Recording в приложении для сбора данных.
  8. Попросите участника сократить мышцы большого пальца максимально быстро и с максимальной силой.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Мотивация участника может существенно повлиять на результаты. Обеспечьте постоянную вербальную поддержку на протяжении всего тестирования для достижения максимальных усилий.
  9. Приостановите запись данных после каждого испытания. Измените уровень шкива и условия нагрузки в соответствии с последовательностью, установленной в пункте 3.6.
  10. Возобновите запись данных и повторите шаги 3.8–3.9, пока не будут выполнены все восемь комбинаций уровней шкива и нагрузок.
  11. Наблюдайте за участником на протяжении всего тестирования и повторите испытания, на которые повлияло чрезмерное движение руки или недостаточные усилия.
  12. Ознакомьтесь с графиком ускорения после каждого испытания.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Повторите испытания, при которых наблюдаются аномально низкие начальные пики ускорения, чрезмерные колебания или продолжающееся движение смартфона между сокращениями, так как эти условия могут снизить качество данных.
  13. Записывайте примечания к каждому испытанию, включая повторные или исключенные пробы, для облегчения последующего анализа данных.

4. Использование эталонного эргометра

  1. Подготовьте эталонный эргометр
    1. Включите компьютер и запустите программное обеспечение для сбора данных. Откройте файл процедуры для двухрежимной системы рычагов.
    2. На блоке управления рычагом установите смещение силы (force offset) на 10, а смещение длины (length offset) на 9.
    3. Включите питание двухрежимной системы рычагов и блока сбора данных.
    4. Проверьте правильность работы двигателя, осторожно повернув рычаг и убедившись в наличии сопротивления.
    5. Пропустите 40 cm многожильного стального троса через второе отверстие снизу рычага и закрепите трос с помощью обжимного кольца.
    6. Пропустите другой конец троса через фиксатор пальца и закрепите трос с помощью обжимного кольца.
    7. Прикрепите двухрежимную систему рычагов к раме на расстоянии 3 in перед подлокотником.
  2. Зафиксируйте предплечье участника на подлокотнике и поместите большой палец в фиксатор пальца.
  3. Сдвиньте руку участника вперед до тех пор, пока большой палец не достигнет максимального сгибания, а трос не окажется под легким натяжением.
  4. Затяните ремень предплечья достаточно сильно, чтобы предотвратить движение руки в переднем или боковом направлениях.
  5. Настройте параметры сбора данных
    1. Откройте Scan Control Device Dev6.
    2. Установите Number of Samples  на 60,000.
    3. Установите Averaging Samples  на 1.
    4. Установите Sample Period  на 0.0001.
    5. Установите Convert Period  на 0.
    6. Установите Post Trigger Samples  на 0.
    7. Установите Reference Trigger Source  на /Dev6/PFI1.
    8. Установите 2x Type  на Digital.
    9. Установите 2x Lever1  на 0.
    10. Установите 2x Lever2  на 0.
    11. Установите Mode  на One Shot.
    12. Установите Return Immediately  на Off.
    13. Установите Start Trigger  на Off.
    14. Установите Trigger Source  на /Dev6/PFI0.
    15. Установите Sample Clock  на Off.
    16. Установите Clock Source  на /Dev6/PFI7.
    17. Установите Convert Clock  на Off.
    18. Установите Convert Clock Source  на /Dev6/PFI2.
    19. Выберите Channel 1 + Channel 2  в разделе Select Channels to Scan.
  6. Нажмите Start в Scan Control Device и попросите участника сократить большой палец максимально быстро и сильно.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Мотивация участника может существенно повлиять на результат. На протяжении всего тестирования используйте последовательную вербальную поддержку для достижения максимального усилия.
  7. Нажмите GetWaves и сохраните полученные данные, используя идентификатор участника и текущее значение смещения силы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Для первого сокращения смещение силы составляет 10.
  8. Уменьшайте смещение силы с шагом 1.0.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Пример прогрессии: 10.0 > 9.0 > 8.0.
  9. Повторяйте шаги 4.6–4.8 до тех пор, пока двигатель не перестанет оказывать заметное сопротивление движению большого пальца.
  10. Извлеките значения пиковой силы и пиковой скорости для каждого испытания, используя процедуру анализа, описанную в Supplemental Coding File 2.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Данные о зависимости силы от скорости и мощности от скорости были собраны на группе студентов бакалавриата (N = 15) с использованием как эталонного эргометра, так и бюджетного устройства для оценки функциональных показателей каждой системы при идентичном экспериментальном протоколе. Индивидуальные данные испытуемых представлены на Рисунке 1, а суммарные данные для каждого устройства — на Рисунке 3.

Экономичный аппарат оценивали в каче...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Был валидирован недорогой аппарат в качестве альтернативы эргометрам «золотого стандарта» для измерения зависимостей сила–скорость и мощность–скорость мышц человека в учебных условиях.

Результаты валидации подтверждают утверждение о том, что недорогой и, следовательно, более экономически и технологически доступный аппарат может обеспечивать измерения, которые статистически не отличаются от полученных с помощью золотого стандарта эргометрии. Способность недорогого аппарата формировать высококач...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не имеют конфликтов интересов, подлежащих раскрытию.

Благодарности

Авторы выражают благодарность студентам, обучавшимся по курсу «Биология мышц» (UML BIOL4890, 2023–2025), и учащимся средней школы Лоуренса (Лоуренс, Массачусетс) за участие в итоговом проекте, который лег в основу данной выпускной квалификационной работы (GC). Также выражается благодарность Мэттью Бороковскому из Aurora Scientific за неоценимую поддержку, а также Виктории Флинт и Сэмюэлю ДеЛапу за их первоначальный вклад в разработку и внедрение модуля сгибателей пальцев для курса UML. Авторы также благодарят Дэниела Бартлетта и Даррелла Ла за помощь в выборе подходов к анализу. Работа финансировалась за счет стипендии Honors College Университета Массачусетса в Лоуэлле (GC), Национального научного фонда (грант 2217246), а также за счет стартовых средств Университета Массачусетса в Лоуэлле (NK).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Грузы 1.25 kgNEXO FitnessASIN: B09JHQ6QB8Могут быть заменены стандартными грузами примерно 1-2 kg
необходимое количество: 2
Зубчатый ремень для 3D-принтера‎Ремень для 3D-принтера 10mASIN: B08974S1CCМожет быть заменен стандартными зубчатыми ремнями для 3D-принтеров: шаг 2mm, ширина 6mm, материал — резина и стекловолокно
необходимое количество: 1
3D-деталь 1 — Внутренняя шестерняН/ДН/ДСм. дополнительные STL-файлы — печать из ABS
необходимое количество: 1
3D-деталь 2 — Внешняя шестерняН/ДН/ДСм. дополнительные STL-файлы — печать из ABS
необходимое количество: 1
3D-деталь 3 — ШпонкаН/ДН/ДСм. дополнительные STL-файлы — напечатать 3-5 шт. из ABS
необходимое количество: 1
3D-деталь 4 — Держатель силыН/ДН/ДСм. дополнительные STL-файлы — печать из PLA
необходимое количество: 1
Алюминиевый профиль (длинный)80/20 inc10201 in x 2 in x 32 in
необходимое количество: 1
Алюминиевый профиль (короткий)80/20 inc10101 in x 1 in x 12 in
необходимое количество: 2
Крепеж/предохранительный болт алюминиевой рамы80/20 inc4108 необходимое количество: 3
Фиксатор руки FEATOLASIN: B0CGX8QZ3CМожет быть заменен стандартным фиксатором руки
необходимое количество: 1
Блок из вспененного поливинилхлорида для подлоктникаAzek board8/4 X Thickness Traditional Only14 in x 6 1/2 in x 3/4 in
необходимое количество: 14
КарабиныRewoalzxASIN:  B0FB3VYV3N необходимое количество: 2
Шарикоподшипники из хромированной легированной сталиuxcellUXCELL 6900 2RS - ASIN: B07FVX92MJРазмеры: внутренний диаметр 10 mm, внешний диаметр 22 mm, ширина 6 mm.
необходимое количество: 1
Excel/электронная таблицаMicrosoftExcelМожет быть заменено любым программным обеспечением для работы с электронными таблицами
необходимое количество: 1
Фиксатор пальцаSopitoASIN:  B0B5C6RWR4 Может быть заменен стандартным фиксатором пальца
необходимое количество: 1
IGOR 8 PROWavemetrics.com8 PROИспользуется с оборудованием Aurora Scientific и для расчета a/Fmax.
необходимое количество: 1
Большая панель из вспененного поливинилхлоридаAzek board8/4 X Thickness Traditional Only6 3/4 in x 7 in x 3/4 in
необходимое количество: 2
Металлическая осьСтандартнаяASIN: B0CC8T8X77Стальной стержень толщиной 9.97 mm, длиной 45 cm.
необходимое количество: 1
Многожильный стальной трос Catch All TackleASIN: B00JTWDSQSДиаметр 1.4mm, разрывная нагрузка 400lb
необходимое количество: 2
Держатель для телефонаTribeASIN: B00SXRUFEнеобходимое количество: 1
Приложение PhyphoxPhyphox.orgН/ДЗагрузите из Apple App Store или Google Play Store
необходимое количество: 1
Python-скриптН/ДН/ДМожно скачать: Дополнительный документ 1 muscle_velocity_gui.py
необходимое количество: 1
Малая панель из вспененного поливинилхлоридаAzek board8/4 X Thickness Traditional Only1 in x 3 1/4 in x 3/4 in
необходимое количество: 1
СмартфонAppleIPhone 11Может быть заменен любым смартфоном с акселерометром
необходимое количество: 1
Кримперы для стального тросаCatch All TackleASIN: B00JTWDSQSРазрывная нагрузка 400lb
необходимое количество: 6
СтопорыBefenybayASIN: B0B1C6BPKQвнутренний диаметр 10 mm, внешний диаметр 20 mm, ширина 20 mm
необходимое количество: 2

Ссылки

  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.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Больше статей

Измерение мощности мышц3D-печатный блокхраповой механизмакселерометр смартфонаприложение Phyphoxанализ данных на Pythonобучение физиологии мышцпреподавание биомеханики
Недорогое устройство для измерения зависимости силы мышц от скорости их сокращения
Связаться с нами
Порекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия использования

Политики

© 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.