Ученые из Университета штата Северная Каролина сделали большой прорыв в понимании того, как происходит локомоторный процесс в ноге при поднятии ноги вверх.
Существуют простые механические описания того, как люди и животные ходят, бегают, прыгают, и движения целой конечности схожи по механике с движением обычной палки.
Но до сих пор, никто не брался описать всю сложную физиологию организма, - так как в движении включаются несколько сухожилий и связок мышц ноги, нескольких суставов (тазобедренные, коленные и голеностопные), а также структуры, отвечающие за вес тела и координацию тела с помощью центральной нервной системы - и это в корне отличается от простой механики движений.
Использование био-роботизированной моторной системы "Аватар", которая интегрировала реальные мышцы и сухожилия с компьютерной системой управления нейростимуляцией «Аватар», действующей в качестве спинного мозга, позволило исследователям из Университета штата Северная Каролина совершить гигантский скачок к лучшему пониманию передвижения ноги. Полученные результаты могут помочь в создании роботизированных устройств, которые смогут объединить воедино человека и машину для того ,чтобы помочь человеку двигаться .
Несмотря на очень сложную физиологию движения, инженер - биомедик Грег Савицкий и исследователь Бен Робертсон из Университета Темпла показали, что, если известна масса, жесткость, рычаги мышц и сухожилий лодыжки, то можно определить нейронные стратегии управления, которые позволяют осуществлять подъем ноги.
"Мы пытались построить передвижения снизу-вверх, начиная с одного устройства мышечно – сухожильного комплекса, основного двигательного комплекса необходимого для выполнения любого движения в конечностях, «сказал Грег Савицкий, доцент биомедицинской инженерии и соавтор статьи, опубликованной в Трудах Национальной академии наук, который описывает проделанную работу. "Мы соединили комплекс мышцы-сухожилия с двигателем внутри робота с помощью интерфейса, разработанного для того, чтобы имитировать то, что блок мышцы-сухожилия " чувствует "внутри ноги, а затем провели электрическую стимуляцию мышц, чтобы получить сокращения мышц участвующих в движении."
Исследователи показали, что resonance tuning является вероятным механизмом, стоящим за пружинистым поведением стопы во время передвижения ноги. То есть, электрическая система – в этом случае нервная система организма - управляет механической системой мышечно - сухожильных единиц - на частоте, которая обеспечивает максимальный двигательный момент в плане эффективного мощности.
Савицкий сравнил резонансную настройку для взаимодействия с инерционной игрушкой. "Когда вы ее осциллируете она колеблется и трудно бывает переместить руку – и необходимо время которое требуется для затухания сил взаимодействия.
"В передвижении конечности резонанс происходит от настройки взаимодействия между нервной системой и ногой, и это позволяет им работать вместе, « сказал Савицкий. "Получается, что если я знаю массу, рычаги и прочность мышечно-сухожильных единиц, я могу сказать вам точно, как часто мне необходимо стимулировать моторную единицу, чтобы получить резонанс в виде пружины, и в итоге упругость движения."
Выводы, полученные в результате этого исследования, имеют конструктивные последствия для возможности проектирования экзоскелетов для трудоспособных лиц, а также экзоскелет или протезные систем для людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата.
"В конце концов, мы обнаружили, что те же самые простые основные принципы, которые управляют резонансом в простых механических системах, также играют роль в чрезвычайно сложных физиологических системах ", сказал Робертсон соавтор исследования.
