Мышечный гидростат: структура из мышц без скелета, используемая животными для манипуляций и движения. Принцип действия – гидравлика, основанная на несжимаемости воды.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Тип части тела, состоящий главным образом из мышц, не имеющий скелетной поддержки. Мышечный гидростат – это биологическая структура, встречающаяся у животных. Он используется для манипулирования объектами (включая пищу) или для передвижения организма и состоит главным образом из мышц, не имеющих скелетной поддержки. Он осуществляет гидравлическое движение без жидкости в отдельном отсеке, в отличие от гидростатического скелета. Мышечный гидростат, как и гидростатический скелет, основан на том факте, что вода практически несжимаема при физиологическом давлении. В отличие от гидростатического скелета, где мышцы окружают заполненную жидкостью полость, мышечный гидростат состоит в основном из мышечной ткани. Поскольку мышечная ткань сама по себе состоит главным образом из воды и также практически несжимаема, применимы схожие принципы.
Body part type that consists mainly of muscles with no skeletal support
A muscular hydrostat is a biological structure found in animals. It is used to manipulate items (including food) or to move its host about and consists mainly of muscles with no skeletal support. It performs its hydraulic movement without fluid in a separate compartment, as in a hydrostatic skeleton. A muscular hydrostat, like a hydrostatic skeleton, relies on the fact that water is effectively incompressible at physiological pressures. In contrast to a hydrostatic skeleton, where muscle surrounds a fluid filled cavity, a muscular hydrostat is composed mainly of muscle tissue. Since muscle tissue itself is mainly made of water and is also effectively incompressible, similar principles apply.
Анатомия мышц
Мышцы обеспечивают силу для перемещения мышечного гидростата. Поскольку мышцы способны производить силу только путем сокращения и укорочения, различные группы мышц должны работать друг против друга, при этом одна группа расслабляется и удлиняется, а другая обеспечивает силу, сокращаясь. Такие взаимодополняющие группы мышц называются антагонистическими парами. Мышечные волокна в мышечном гидростате ориентированы в трех направлениях: параллельно длинной оси, перпендикулярно длинной оси и обвиваются наклонно вокруг длинной оси. Мышцы, параллельные длинной оси, расположены в продольных пучках. Чем более периферически они расположены, тем более сложные изгибательные движения возможны. Более периферическое расположение встречается в языках четвероногих, руках осьминогов, щупальцах наутилусов и хоботах слонов. Языки, приспособленные для выдвижения, обычно имеют центрально расположенные продольные волокна. Они встречаются в языках змей, многих ящериц и муравьедов. Мышцы, перпендикулярные длинной оси, могут быть расположены поперечно, круговым или радиальным образом. Поперечное расположение включает в себя слои мышечных волокон, идущих перпендикулярно длинной оси, обычно чередующиеся между горизонтальной и вертикальной ориентацией. Такое расположение встречается в руках и щупальцах кальмаров, осьминогов и в языках большинства млекопитающих. Радиальное расположение включает волокна, расходящиеся во все стороны от центра органа. Оно встречается в щупальцах наутилуса и в хоботе слона. Круговое расположение характеризуется кольцами сокращающихся волокон вокруг длинной оси. Оно встречается во многих языках млекопитающих и ящериц, а также в щупальцах кальмаров. Спиральные или наклонные волокна вокруг длинной оси обычно присутствуют в двух слоях с противоположной хиральностью и обвиваются вокруг центрального мышечного ядра.
Muscles provide the force to move a muscular hydrostat. Since muscles are only able to produce force by contracting and becoming shorter, different groups of muscles have to work against each other, with one group relaxing and lengthening as the other group provides the force by contracting. Such complementary muscle groups are termed antagonistic pairs. The muscle fibers in a muscular hydrostat are oriented in three directions: parallel to the long axis, perpendicular to the long axis, and wrapped obliquely around the long axis. The muscles parallel to the long axis are arranged in longitudinal bundles. The more peripherally these are located, the more elaborate bending movements are possible. A more peripheral distribution is found in tetrapod tongues, octopus arms, nautilus tentacles, and elephant trunks. Tongues that are adapted for protrusion typically have centrally located longitudinal fibers. These are found in snake tongues, many lizard tongues, and the mammalian anteaters. The muscles perpendicular to the long axis may be arranged in a transverse, circular, or radial pattern. A transverse arrangement involves sheets of muscle fibers running perpendicular to the long axis, usually alternating between horizontal and vertical orientations. This arrangement is found in the arms and tentacles of squid, octopuses, and in most mammalian tongues. A radial arrangement involves fibers radiating out in all directions from the center of the organ. This is found in the tentacles of the chambered nautilus and in the elephant proboscis (trunk). A circular arrangement has rings of contractive fibers around the long axis. This is found in many mammalian and lizard tongues along with squid tentacles. Helical or oblique fibers around the long axis are generally present in two layers with opposite chirality and wrap around the central core of musculature.
Удлинение и сокращение
Удлинение в гидростатах вызвано сокращением поперечных или спиральных мышечных образований. Учитывая постоянный объем мышечных гидростатов, эти сокращения вызывают удлинение продольных мышц. Изменение длины пропорционально квадрату уменьшения диаметра. Внеротовые языки демонстрируют более высокое соотношение длины к ширине, чем внутриротовые языки, что позволяет добиться большего увеличения длины (более 100% от длины в состоянии покоя, по сравнению с внутриротовыми языками, у которых увеличение длины в состоянии покоя составляет лишь около 50%). Большие величины удлинения связаны с уменьшением силы, производимой органом; по мере увеличения соотношения длины к ширине удлинение возрастает, а сила уменьшается. Направление этих изменений различно. Для противочасовой торсии необходимо сокращение правой спирали. Сокращение левой спирали вызывает часовую торсию. Одновременное сокращение правой и левой спиралей приводит к увеличению сопротивления торсионным силам. Косые или спиральные мышечные пучки в мышечных гидростатах расположены на периферии структуры, охватывая внутреннее мышечное ядро, и такое периферическое расположение обеспечивает больший момент приложения крутящего момента, чем более центральное. Эффект спирально расположенных мышечных волокон, который также может способствовать изменению длины мышечного гидростата, зависит от угла волокна – угла, под которым спиральные мышечные волокна расположены относительно продольной оси структуры. Длина спирального волокна минимальна при угле волокна 54°44′ и максимальна, когда угол волокна приближается к 0° и 90°. Угол наклона волокон косых или спиральных мышечных слоев должен увеличиваться при укорочении и уменьшаться при удлинении. Помимо создания торсионной силы, косые мышечные слои создают силу удлинения, которая может помогать поперечной мускулатуре противостоять продольному сжатию.
Elongation in hydrostats is caused by the contraction of transverse or helical musculature arrangements. Given the constant volume of muscular hydrostats, these contractions cause an elongation of the longitudinal muscles. Change in length is proportional to the square of the decrease in diameter. Extra oral tongues show higher length/width ratios than intra oral tongues, allowing for a greater increase in length (more than 100% of resting length, as compared to intra oral tongues at only about 50% of resting length increase). Greater elongation lengths trade off with the force produced by the organ; as the length/width ratio is increased elongation increases while force is decreased. which have varying direction. For a counter clockwise torsion it is necessary for a right hand helix to contract. Contraction of a left hand helix causes clockwise torsion. The simultaneous contraction of both right and left hand helixes results in an increase in resistance to torsional forces. The oblique or helical muscle arrays in the muscular hydrostats are located in the periphery of the structure, wrapping the inner core of musculature, and this peripheral location provides a larger moment through which the torque is applied than a more central location. The effect of helically arranged muscle fibers, which may also contribute to changes in length of a muscular hydrostat, depends on fiber angle—the angle that the helical muscle fibers make with the long axis of the structure. The length of the helical fiber is at a minimum when the fiber angle equals 54°44′ and is at maximum length when the fiber angle approaches 0° and 90°. The fiber angle of the oblique or helical muscle layers must increase during shortening and decrease during lengthening. In addition to creating a torsional force, the oblique muscle layers will therefore create a force for elongation that may aid the transverse musculature in resisting longitudinal compression.
Технологические приложения
Группа инженеров и биологов совместно разработала роботизированные руки, способные манипулировать и удерживать разнообразные объекты различных размеров, массы, текстуры поверхности и механических свойств. Эти роботизированные руки обладают множеством преимуществ по сравнению с предыдущими моделями, не основанными на принципах мышечных гидростатов.
A group of engineers and biologists have collaborated to develop robotic arms that are able to manipulate and handle various objects of different size, mass, surface texture and mechanical properties. These robotic arms have many advantages over previous robotic arms that were not based on muscular hydrostats.