Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Язык является мышечным гидростатом.

Мышечная гидростат биологическая структура содержится в животных . Он используется для манипулирования предметами (включая пищу) или для перемещения своего хозяина и состоит в основном из мышц без скелетной опоры. Он выполняет гидравлическое движение без жидкости в отдельном отсеке, как в гидростатическом каркасе .

Мышечный гидростат, как и гидростатический скелет, основан на том факте, что вода эффективно несжимаема при физиологическом давлении. В отличие от гидростатического скелета, где мышца окружает полость, заполненную жидкостью, мышечный гидростат состоит в основном из мышечной ткани. Поскольку сама мышечная ткань в основном состоит из воды и также является несжимаемой, применимы аналогичные принципы.

Мышечная анатомия [ править ]

Крупным планом хобот азиатского слона

Мышцы обеспечивают силу для движения мышечного гидростата. Поскольку мышцы способны создавать силу только за счет сокращения и сокращения, разные группы мышц должны работать друг против друга, при этом одна группа расслабляется и удлиняется, а другая группа обеспечивает силу путем сокращения. Такие дополнительные группы мышц называются мышцами-антагонистами .

Мышечные волокна в мышечном гидростате ориентированы в трех направлениях: параллельно длинной оси, перпендикулярно длинной оси и наклонно намотаны вокруг длинной оси. [1] [2]

Мышцы, параллельные длинной оси, расположены продольными пучками. Чем более периферически они расположены, тем более сложные изгибающие движения возможны. Более периферическое распространение обнаружено в языках млекопитающих , руках осьминога , щупальцах наутилуса и хоботах слонов . Языки, приспособленные для выступа, обычно имеют центрально расположенные продольные волокна. Они встречаются на языках змей , многих языках ящериц и муравьедах млекопитающих .

Мышцы, перпендикулярные длинной оси, могут быть расположены в поперечном, круговом или радиальном порядке. Поперечное расположение включает листы мышечных волокон, идущие перпендикулярно длинной оси, обычно чередующиеся между горизонтальной и вертикальной ориентацией. Такое расположение встречается на руках и щупальцах кальмаров, осьминогов и на большинстве языков млекопитающих. Радиальное расположение включает волокна, расходящиеся во всех направлениях от центра органа. Он находится в щупальцах наутилуса с камерами и в хоботке слона (хобот). Круглая конструкция имеет кольца из сужающихся волокон вокруг длинной оси. Он встречается во многих языках млекопитающих и ящериц, а также в щупальцах кальмаров.

Спиральные или наклонные волокна вокруг длинной оси обычно представлены двумя слоями с противоположной хиральностью и обвивают центральную сердцевину мускулатуры.

Механизм работы [ править ]

В мышечном гидростате сама мускулатура создает движение и обеспечивает скелетную поддержку этого движения. Он может обеспечить эту поддержку, потому что он состоит в основном из несжимаемой «жидкости» и, следовательно, имеет постоянный объем. Наиболее важной биомеханической особенностью мышечного гидростата является его постоянный объем. Мышцы состоят в основном из водной жидкости, которая по существу несжимаема при физиологическое давление. В мышечном гидростате или любой другой структуре постоянного объема уменьшение в одном измерении вызовет компенсирующее увеличение, по крайней мере, в одном другом измерении. [3] Механизмы удлинения, изгиба и скручивания в мышечных гидростатах все зависят от постоянства объема для изменения формы при отсутствии жестких скелетных прикреплений. [4]Поскольку мышечные гидростаты находятся в постоянном объеме при увеличении или уменьшении диаметра, длина также должна уменьшаться или увеличиваться соответственно. Если смотреть на цилиндр, его объем равен: V = πr²l. Когда радиус дифференцируется по длине: dr / dl = -r / (2l). Таким образом, если диаметр уменьшится на 25%, длина увеличится примерно на 80%, что может вызвать большое усилие в зависимости от того, что животное пытается сделать. [5]


Удлинение и укорачивание [ править ]

Руки и щупальца кальмара Abralia veranyi

Удлинение в гидростатах вызвано сокращением поперечных или спиральных мускулатур. При постоянном объеме мышечных гидростатов эти сокращения вызывают удлинение продольных мышц. Изменение длины пропорционально квадрату уменьшения диаметра. [3] Таким образом, сокращение мышц, перпендикулярных длинной оси, приведет к уменьшению диаметра и, при сохранении постоянного объема, приведет к удлинению органа в длину. Укорочение, с другой стороны, может быть вызвано сокращением мышц, параллельных длинной оси, в результате чего орган увеличивается в диаметре, а также укорачивается в длину.

Мышцы, используемые для удлинения и укорачивания, поддерживают поддержку благодаря принципу постоянного объема и их антагонистическим отношениям друг с другом. Эти механизмы часто можно увидеть в отлове добычи лопатоносых лягушек и хамелеонов , а также в человеческом языке и многих других примерах. У некоторых лягушек язык удлиняется до 180% от длины покоя. [6]Внеротовые языки имеют более высокое соотношение длины и ширины, чем внутриротовые языки, что позволяет увеличить длину (более 100% длины в состоянии покоя по сравнению с внутриротовыми языками при увеличении длины только примерно на 50%). Большая длина удлинения зависит от силы, создаваемой органом; по мере увеличения отношения длины к ширине удлинение увеличивается, а сила уменьшается. [1] Кальмары также используют удлинение мускульного гидростата при захвате и кормлении добычи. [7]

Гибка [ править ]

Изгиб мышечного гидростата может происходить двумя способами, оба из которых требуют использования мышц-антагонистов . [1] Одностороннее сокращение продольной мышцы приводит к небольшому изгибу или его отсутствию и служит для увеличения диаметра мышечного гидростата из-за принципа постоянного объема, который должен соблюдаться. Чтобы изогнуть структуру гидростата, одностороннее сокращение продольной мышцы должно сопровождаться сократительной активностью поперечных, радиальных или круговых мышц для поддержания постоянного диаметра. Сгибание мышечного гидростата также может происходить за счет сокращения поперечных, радиальных или круговых мышц, что уменьшает диаметр. Изгиб происходит за счет продольной активности мышц, которая поддерживает постоянную длину одной стороны конструкции.

Изгиб мышечного гидростата особенно важен для языков животных . Это движение обеспечивает механизм, с помощью которого змея взмахивает языком, чтобы ощутить окружающую обстановку, а также отвечает за сложность человеческой речи . [2]

Повышение жесткости [ править ]

Укрепление мышечного гидростата достигается за счет сопротивления мышечной или соединительной ткани гидростата размерным изменениям. [3]

Кручение [ править ]

Кручение - это скручивание мышечного гидростата вдоль его длинной оси, которое создается спиралевидным или наклонным расположением мускулатуры [3].которые имеют разное направление. Для вращения против часовой стрелки необходимо, чтобы правая спираль сжималась. Сжатие левой спирали вызывает кручение по часовой стрелке. Одновременное сжатие правой и левой спиралей приводит к увеличению сопротивления скручивающим силам. Наклонные или спиральные мышечные массивы в мышечных гидростатах расположены на периферии структуры, охватывая внутреннюю сердцевину мускулатуры, и это периферийное местоположение обеспечивает больший момент, через который прилагается крутящий момент, чем более центральное местоположение. Влияние спирально расположенных мышечных волокон, которые также могут способствовать изменению длины мышечного гидростата, зависит от угла волокна - угла, который спиральные мышечные волокна составляют с длинной осью структуры.

Длина спирального волокна минимальна, когда угол волокна равен 54 ° 44 ', и имеет максимальную длину, когда угол волокна приближается к 0 ° и 90 °. [3] Подводя итог, это означает, что спирально расположенные мышечные волокна с углом волокон более 54 ° 44 'будут создавать силу как для скручивания, так и для удлинения, в то время как спирально расположенные мышечные волокна с углом волокон менее 54 ° 44 ′ будут создавать силу для как кручение, так и укорачивание. [8] Угол наклона волокон косых или спиральных мышечных слоев должен увеличиваться при укорочении и уменьшаться при удлинении. Таким образом, помимо создания силы скручивания, слои косых мышц будут создавать силу для удлинения, которая может помочь поперечной мускулатуре противостоять продольному сжатию.

Примеры [ править ]

Вест-индийский ламантин
  • Целые тела многих червей
  • Ноги моллюсков [9] (включая руки и щупальца у головоногих моллюсков [1] [7] [10] [11] )
  • Язычки из млекопитающих и рептилий [1]
  • Хоботы слонов [1]
  • Морда вест-индийского ламантина [12]

Технологические приложения [ править ]

Группа инженеров и биологов объединилась для разработки роботизированных манипуляторов, которые могут манипулировать и обрабатывать различные объекты разного размера, массы, текстуры поверхности и механических свойств. Эти роботизированные руки имеют много преимуществ по сравнению с предыдущими роботизированными руками, которые не основывались на мышечных гидростатах. [13]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Б с д е е Kier, WM; Смит, К.К. (1985). «Языки, щупальца и туловища: биомеханика движения в мышечно-гидростатах». Зоологический журнал Линнеевского общества . 83 (4): 307–324. DOI : 10.1111 / j.1096-3642.1985.tb01178.x .
  2. ^ a b Смит, Кэтлин К .; Уильям М. Кир (январь – февраль 1989 г.). «Хоботы, языки и щупальца: движение с помощью скелета мускулов». Американский ученый . 77 (1): 28–35.
  3. ^ а б в г е Кир, WM (1985). «Мускулатура рук и щупалец кальмаров: ультраструктурные доказательства функциональных различий». Журнал морфологии . 185 (2): 223–239. DOI : 10.1002 / jmor.1051850208 .
  4. ^ Уэйнрайт, ПК; Беннетт, AF (1992). « Механизм проекции языка у хамелеонов: II. Роль изменения формы в мышечном гидростате ». Журнал экспериментальной биологии 168 : 23–40.
  5. ^ Александр, Р. Макн. (2003). Принципы передвижения животных. Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета.
  6. ^ Нисикава, KC; Кир, ВМ; Смит, К.К. (1999). « Морфология и механика движения языка у африканской свиной лягушки Hemisus marmoratum : мышечная гидростатическая модель http://jeb.biologies.org/content/202/7/771.short ». Журнал экспериментальной биологии 202 : 771–780.
  7. ^ а б Кир, WM (1982). «Функциональная морфология мускулатуры рук и щупалец кальмаров (Loliginidae)». Журнал морфологии . 172 (2): 179–192. DOI : 10.1002 / jmor.1051720205 .
  8. ^ Мейерс, JJ; О'Рейли, JC; Monroy, JA; Нисикава, KC (2004). « Механизм вытягивания языка у микрогилидных лягушек . Журнал экспериментальной биологии 207 : 21–31.
  9. ↑ Прайс, Ребекка (декабрь 2003 г.). «Колумеллярная мышца новогастропод: прикрепление мышц и функция колумеллярных складок». Биологический бюллетень . 205 (3): 351–366. DOI : 10.2307 / 1543298 . JSTOR 1543298 . 
  10. ^ Matzner, H .; Gutfreund, Y .; Хохнер, Б. (2000). «Нервно-мышечная система гибкой руки осьминога: физиологическая характеристика». Журнал нейрофизиологии . 83 (3): 1315–1328. DOI : 10,1152 / jn.2000.83.3.1315 . PMID 10712459 . 
  11. ^ Yekutieli, Y .; Sumbre, G .; Flash, T .; Хохнер, Б. (2002). «Как двигаться без жесткого скелета? У осьминога есть ответы». Биолог (Лондон, Англия) . 49 (6): 250–254. PMID 12486300 . 
  12. ^ Маршалл, CD; Кларк, Луизиана; Рип, Р.Л. (1998). «Мышечный гидростат ламантина Флориды ( Trichechus manatus latirostris ): функциональная морфологическая модель использования периоральной щетины». Наука о морских млекопитающих . 14 (2): 290–303. DOI : 10.1111 / j.1748-7692.1998.tb00717.x .
  13. ^ Уокер, удостоверение личности; Доусон, DM; Flash, T .; Грассо, ФВ; Хэнлон, RT; Hochner, B .; Кир, ВМ; Пагано, СС; Ран, CD; Чжан, QM (2005). « Робот-манипулятор Continuum, вдохновленный головоногими моллюсками » Труды SPIE 5804 : 303–314.