Нервный контроль жесткости конечностей

Когда люди перемещаются в окружающей среде, они должны изменять жесткость своих суставов, чтобы эффективно взаимодействовать с окружающей средой. Жесткость — это степень, в которой объект сопротивляется деформации при воздействии известной силы. Эту идею также называют импедансом, однако иногда идея деформации под заданной нагрузкой обсуждается под термином «податливость», который является противоположностью жесткости (определяемой как величина, на которую объект деформируется под определенной известной нагрузкой). Чтобы эффективно взаимодействовать с окружающей средой, люди должны регулировать жесткость своих конечностей. Это достигается посредством совместного сокращения антагонистических групп мышц. ^{[1] [2]}

Люди используют нейронный контроль вместе с механическими ограничениями тела, чтобы регулировать эту жесткость, когда тело выполняет различные задачи. Было показано, что люди изменяют жесткость своих конечностей, когда они выполняют такие задачи, как прыжки, ^[3] , выполнение точных задач по достижению ^[4] или бег по разным поверхностям. ^[5]

Хотя точный метод, посредством которого происходит эта нейронная модуляция жесткости конечностей, неизвестен, было предложено много различных гипотез. Глубокое понимание того, как и почему мозг контролирует жесткость конечностей, может привести к усовершенствованию многих роботизированных технологий, которые пытаются имитировать движения человека. ^[2]

Жесткость

Жесткость обычно рассматривается как свойство материала, описывающее величину деформации материала под действием заданной силы, как описано законом Гука . Это означает, что объекты с более высокой жесткостью сложнее сгибать или деформировать, чем объекты с более низкой жесткостью. Эту концепцию можно распространить на конечности и суставы биологических организмов, в которых жесткость описывает степень, в которой конечность или сустав отклоняются (или сгибаются) под действием заданной нагрузки. Жесткость конечностей также можно описать как статический компонент импеданса . ^{[1] [6]} Люди изменяют жесткость своих конечностей и суставов, чтобы приспособиться к окружающей среде. ^[5] Жесткость конечностей и суставов ранее изучалась и может быть количественно определена различными способами. Основной принцип расчета жесткости заключается в делении деформации конечности на силу, приложенную к конечности, однако существует несколько методов количественной оценки жесткости конечностей и суставов с различными плюсами и минусами. При количественной оценке жесткости конечностей невозможно просто суммировать жесткость отдельных суставов из-за нелинейности многосуставной системы.

Ниже приведены некоторые конкретные методы расчета жесткости конечностей: ^[7]

Вертикальная жесткость ( k _vert ) — это количественная мера жесткости ног, которую можно определить с помощью следующих уравнений: ^[7]

 ${\displaystyle K_{\text{vert}}={\frac {F_{\text{max}}}{\Delta y}}}$

Где F _max — максимальная вертикальная сила, а delta y — максимальное вертикальное смещение центра масс. 

 ${\displaystyle K_{\text{vert}}=m({\frac {2\pi }{P}})^{2}}$

Где m — масса тела, а P — период вертикальных колебаний.

  ${\displaystyle K_{\text{vert}}=m\omega _{\text{0}}^{2}}$

Где m — масса тела, а ω ₀ — собственная частота колебаний.

Жесткость конечности (K_limb) — это жесткость всей конечности, которую можно определить с помощью следующих уравнений:

 ${\displaystyle K_{\text{limb}}={\frac {F_{\text{max}}}{\Delta L}}}$

Где F _max — максимальная приложенная сила, а ΔL — изменение длины конечности.

Жесткость при кручении (K_joint) — это жесткость при вращении соединения, которую можно определить с помощью следующих уравнений:

 ${\displaystyle K_{\text{joint}}={\frac {\Delta M}{\Delta \theta }}}$

Где ΔM — изменение момента в суставе, а Δθ — изменение угла в суставе.

 ${\displaystyle K_{\text{joint}}={\frac {2W}{\Delta \theta }}}$

Где W — отрицательная механическая работа в суставе, а Δθ — изменение угла сустава.

Эти различные математические определения жесткости конечностей помогают описать жесткость конечностей и показывают методы, с помощью которых можно количественно оценить такую ​​характеристику конечности.

Модуляция жесткости

Тело человека способно модулировать жесткость конечностей посредством различных механизмов с целью более эффективного взаимодействия с окружающей средой. Тело изменяет жесткость конечностей посредством трех основных механизмов: совместного сокращения мышц, ^{[1] [8] [9]} выбора позы, ^[6] и посредством рефлексов растяжения. ^{[1] [10] [11] [12]}

Совместное сокращение мышц (похожее на мышечный тонус ) способно изменять жесткость сустава посредством действия мышц-антагонистов, действующих на сустав. Чем сильнее силы мышц-антагонистов на сустав, тем жестче становится сустав. ^{[2] [8]} Выбор положения тела также влияет на жесткость конечности. Регулируя ориентацию конечности, можно манипулировать ее внутренней жесткостью. ^[6] Кроме того, рефлексы растяжения в конечности могут влиять на жесткость конечности, однако эти команды не посылаются из мозга. ^{[10] [11]}

Передвижение и прыжки

Когда люди ходят или бегают по разным поверхностям, они регулируют жесткость своих конечностей, чтобы поддерживать схожую локомоторную механику независимо от поверхности. Когда жесткость поверхности меняется, люди адаптируются, изменяя жесткость своих конечностей. Эта модуляция жесткости позволяет бегать и ходить с похожей механикой независимо от поверхности, тем самым позволяя людям лучше взаимодействовать и адаптироваться к окружающей среде. ^{[3] [5]} Таким образом, модуляция жесткости имеет применение в областях управления моторикой и других областях, относящихся к нейронному управлению движением.

Исследования также показывают, что изменение жесткости конечностей важно при прыжках, и что разные люди могут контролировать это изменение жесткости по-разному. Одно исследование показало, что у взрослых особей было больше прямого нейронного контроля, мышечных рефлексов и более высокая относительная жесткость ног, чем у их молодых коллег при выполнении прыжковой задачи. Это указывает на то, что контроль жесткости может варьироваться от человека к человеку. ^[3]

Точность движения

Нервная система также контролирует жесткость конечностей, чтобы модулировать степень точности, которая требуется для данной задачи. Например, точность, необходимая для того, чтобы схватить чашку со стола, сильно отличается от точности, необходимой хирургу, выполняющему точную задачу скальпелем . Чтобы выполнить эти задачи с различной степенью требуемой точности, нервная система регулирует жесткость конечностей. ^{[4] [6]} Для выполнения очень точных задач требуется более высокая жесткость, однако при выполнении задач, где точность не так важна, необходима жесткость нижних конечностей. ^{[4] [6]} В случае точных движений центральная нервная система способна точно контролировать жесткость конечностей, чтобы ограничить изменчивость движений. Мозжечок также играет большую роль в контроле точности движений. ^[13]

Это важная концепция для повседневных задач, таких как использование инструментов. ^{[6] [14]} Например, при использовании отвертки, если жесткость конечности слишком низкая, пользователь не будет иметь достаточного контроля над отверткой, чтобы закрутить винт. Из-за этого центральная нервная система увеличивает жесткость конечности, чтобы позволить пользователю точно маневрировать инструментом и выполнять задачу.

Нейронный контроль

Точный механизм нейронного контроля жесткости неизвестен, но в этой области был достигнут прогресс с несколькими предложенными моделями того, как модуляция жесткости может осуществляться нервной системой. Жесткость конечности имеет несколько компонентов, которые необходимо контролировать, чтобы создать соответствующую жесткость конечности.

Сочетание механики и нейронного управления

Как нервный контроль, так и механика конечности способствуют ее общей жесткости. Совместное сокращение антагонистических мышц, положение конечности и рефлексы растяжения в пределах конечности способствуют жесткости и зависят от нервной системы. ^{[1] [6]}

Жесткость конечности зависит от ее конфигурации или расположения суставов. ^{[1] [6]} Например, слегка согнутая рука будет деформироваться легче под действием силы, направленной от кисти к плечу, чем прямая рука. Таким образом, жесткость конечности частично определяется положением конечности. Этот компонент жесткости конечности обусловлен механикой конечности и контролируется произвольно.

Произвольная и непроизвольная модуляция жесткости

Некоторые компоненты скованности конечностей находятся под произвольным контролем, в то время как другие непроизвольны. ^[6] Определяющим фактором того, контролируется ли компонент скованности произвольно или непроизвольно, является временная шкала метода действия этого конкретного компонента. Например, корректировки скованности, которые происходят очень быстро (80-100 миллисекунд), являются непроизвольными, в то время как более медленные корректировки и корректировки скованности находятся под произвольным контролем. Многие из произвольных корректировок скованности контролируются двигательной корой , в то время как непроизвольные корректировки могут контролироваться рефлекторными петлями в спинном мозге или других частях мозга. ^{[8] [10] [13]}

Рефлекторные корректировки жесткости непроизвольны и контролируются спинным мозгом, в то время как выбор позы контролируется произвольно. ^[6] Однако не каждый компонент жесткости является строго произвольным или непроизвольным. ^[8] Например, антагонистическое сокращение мышц может быть как произвольным, так и непроизвольным. Кроме того, поскольку большая часть движений ног контролируется спинным мозгом, а также из-за большей нервной задержки, связанной с отправкой сигналов мышцам ног, жесткость ног контролируется более непроизвольно, чем жесткость рук.

Возможные модели нейронного управления

Исследователи начали внедрять контроллеры в роботов для управления жесткостью. Одна из таких моделей регулирует жесткость во время передвижения робота, виртуально сокращая антагонистические мышцы вокруг суставов робота для модуляции жесткости, в то время как центральный генератор шаблонов (CPG) управляет движением робота. ^[15]

Другие модели нейронной модуляции жесткости включают в себя модель прямой связи регулировки жесткости. Эти модели нейронного контроля поддерживают идею о том, что люди используют механизм прямой связи выбора жесткости в ожидании требуемой жесткости, необходимой для выполнения данной задачи. ^[16]

Большинство моделей нейронного контроля жесткости продвигают идею о том, что люди выбирают оптимальную жесткость конечностей в зависимости от окружающей среды или выполняемой задачи. Исследования постулируют, что люди делают это для того, чтобы стабилизировать нестабильную динамику окружающей среды, а также максимизировать энергетическую эффективность данного движения. ^{[6] [14]} Точный метод, с помощью которого люди этого достигают, неизвестен, но контроль импеданса использовался для того, чтобы дать представление о том, как люди могут выбирать подходящую жесткость в различных средах и при выполнении различных задач. ^[1] Контроль импеданса послужил основой для большей части работы, проделанной в области определения того, как люди взаимодействуют со своей средой. Работа Невилла Хогана была особенно полезна в этой области, поскольку большая часть работы, проводимой сегодня в этой области, основана на его предыдущей работе. ^[1]

Применение в робототехнике

Нейропротезирование и экзоскелеты

Роботизированная нога, приводимая в действие пневматическими мускульными приводами

Знание об изменении жесткости человека и выборе жесткости повлияло на робототехнические конструкции, поскольку исследователи пытаются спроектировать роботов, которые действуют больше как биологические системы. Для того чтобы роботы действовали больше как биологические системы, ведутся работы по внедрению модуляции жесткости в роботов, чтобы они могли более эффективно взаимодействовать со своей средой.

Современные нейропротезисты попытались реализовать контроль жесткости в своих роботизированных устройствах. Цель этих устройств — заменить конечности ампутантов и позволить новым конечностям регулировать свою жесткость для эффективного взаимодействия с окружающей средой. ^[17]

Кроме того, роботизированные экзоскелеты попытались реализовать аналогичную регулируемую жесткость в своих устройствах. ^[18] Эти роботы реализуют управление жесткостью по нескольким причинам. Роботы должны иметь возможность эффективно взаимодействовать с внешней средой, но они также должны иметь возможность безопасно взаимодействовать со своим пользователем-человеком. ^[19] Модуляция жесткости и управление импедансом могут быть использованы для достижения обеих этих целей.

Эти устройства достигают переменной жесткости различными способами. Некоторые устройства используют контроллеры и жесткие серводвигатели для имитации переменной жесткости. Другие устройства используют специальные гибкие приводы для достижения различных уровней жесткости конечностей.

Методы приведения в действие

Эти роботизированные устройства способны достигать переменной жесткости с помощью различных механизмов, таких как имитация изменения жесткости посредством управления жесткими приводами или путем использования приводов переменной жесткости. Приводы переменной жесткости имитируют биологические организмы, изменяя их присущую жесткость. ^[2] Эти приводы переменной жесткости способны контролировать свою присущую жесткость несколькими способами. Некоторые изменяют свою жесткость так же, как это делают люди, изменяя вклад силы антагонистических механических мышц. Другие приводы способны регулировать свою жесткость, используя преимущества свойств деформируемых элементов, размещенных внутри приводов.

Используя эти технологии приведения в действие с переменной жесткостью, новые роботы смогли более точно воспроизводить движения биологических организмов и имитировать их энергетическую эффективность.

Смотрите также

• Энергосберегающий экзоскелет
• Нейропротезирование
• Робототехника
• Жесткость
• Управление двигателем
• Нейробиология
• Координация движений

Ссылки

1. Хоган, Невилл (1985). «Механика многосуставной позы и управления движением». Биологическая кибернетика . 52 (5): 315–331. doi :10.1007/bf00355754. PMID  4052499. S2CID  25966675.
2. Ван Хэм, Р.; Шугар, TG; Вандерборг, Б.; Холландер, KW; Лефебер, Д. (2009). «Соответствующие конструкции приводов». Журнал IEEE Robotics & Automation . 16 (3): 81–94. doi :10.1109/mra.2009.933629. S2CID  50682770.
3. Оливер, Дж. Л.; Смит, П. М. (2010). «Нейронный контроль жесткости ног во время прыжков у мальчиков и мужчин». Журнал электромиографии и кинезиологии . 20 (5): 973–979. doi :10.1016/j.jelekin.2010.03.011. PMID  20409733.
4. Lametti, Daniel R.; Houle, Guillaume; Ostry, David J. (2007). «Контроль изменчивости движения и регуляция импеданса конечностей». Журнал нейрофизиологии . 98 (6): 3516–3524. doi :10.1152/jn.00970.2007. PMID  17913978.
5. Ferris, Daniel P.; Louie, Micky; Farley, Claire T. (1998). «Бег в реальном мире: регулировка жесткости ног для различных поверхностей». Труды Королевского общества B: Биологические науки . 265 (1400): 989–994. doi :10.1098/rspb.1998.0388. PMC 1689165. PMID  9675909 . 
6. Трамбауэр, Рэнди Д.; Крутки, МА; Янг, Б.; Перро, Э.Дж. (2009). «Использование самостоятельно выбранных поз для регулирования многосуставной жесткости во время выполнения задач без ограничений». PLOS ONE . 4 (5): e5411. Bibcode : 2009PLoSO...4.5411T. doi : 10.1371/journal.pone.0005411 . PMC 2671603. PMID  19412540 . 
7. Батлер, Р. Дж.; Кроуэлл, Х. П.; Дэвис, И. М. (2003). «Жесткость нижних конечностей: последствия для производительности и травм». Клиническая биомеханика . 18 (6): 511–517. doi :10.1016/s0268-0033(03)00071-8. PMID  12828900.
8. Людвиг, Дэниел П.; Кирни, Р. Э. (2007). «Оценка внутренней и рефлекторной жесткости в реальном времени». Труды IEEE по биомедицинской инженерии . 54 (10): 1875–1884. doi :10.1109/tbme.2007.894737. PMID  17926686. S2CID  17908248.
9. Хайтманн С., Фернс Н., Брейкспир М. (2012). «Совместное сокращение мышц модулирует амортизацию и стабильность сустава в трехзвенной биомеханической конечности». Frontiers in Neurorobotics . 5 (5): 1. doi : 10.3389/fnbot.2011.00005 . PMC 3257849. PMID  22275897 . 
10. Nichols, TR; Houk, JC (1976). «Улучшение линейности и регуляции жесткости в результате действия рефлекса растяжения». J. Neurophysiol . 39 (1): 119–142. doi :10.1152/jn.1976.39.1.119. PMID  1249597.
11. Шеммелл, Джонатан; Крутки, МА; Перро, Э.Дж. (2010). «Рефлексы, чувствительные к растяжению, как адаптивный механизм поддержания стабильности конечностей». Клиническая нейрофизиология . 121 (10): 1680–1689. doi :10.1016/j.clinph.2010.02.166. PMC 2932821. PMID  20434396 . 
12. Трумбауэр, РД; Финли, Дж. М.; Шеммелл, Дж. Б.; Ханикатт, К. Ф.; Перро, Э. Дж. (2013). «Двусторонние нарушения в зависимой от задачи модуляции длиннолатентного рефлекса растяжения после инсульта». Клиническая нейрофизиология . 124 (7): 1373–1380. doi :10.1016/j.clinph.2013.01.013. PMC 3674210. PMID  23453250 . 
13. Dale Purves; et al., ред. (2007). Neuroscience (4-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0878936977.
14. Burdet, E.; Osu, R.; Franklin, DW; Milner, TE; Kawato, M. (2001). «Центральная нервная система стабилизирует нестабильную динамику, обучаясь оптимальному сопротивлению». Nature . 414 (6862): 446–449. Bibcode :2001Natur.414..446B. doi :10.1038/35106566. PMID  11719805. S2CID  559162.
15. Сюн, Сяофэн; Ворготтер, Ф.; Манунпонг, П. «Адаптивная нейромеханическая модель для модуляции мышечного импеданса шагающих роботов». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
16. Ху, Сяо; Мюррей, WM; Перро, EJ (2012). «Биомеханические ограничения прямой регуляции жесткости конечной точки». Журнал нейрофизиологии . 108 (8): 2083–2091. doi :10.1152/jn.00330.2012. PMC 3545028. PMID  22832565 . 
17. Файт, Кевин; Митчелл, Дж.; Суп, Ф.; Голдфарб, М. (2007). «Проектирование и управление протезом коленного сустава с электроприводом». Конференция по реабилитационной робототехнике .
18. Ван дер Коой, Х.; Венеман, Дж.; Эккеленкамп, Р. (2006). «Проектирование экзоскелета с податливым приводом для робота-тренажера походки с управлением импедансом». Международная конференция IEEE Engineering in Medicine and Biology Society 2006 г. Том 1. С. 189–93. doi :10.1109/IEMBS.2006.259397. ISBN 978-1-4244-0032-4. PMID  17946801. S2CID  6555957.
19. Казеруни, Хомайон (1996). «Технология усилителя мощности человека в Калифорнийском университете в Беркли». Журнал робототехники и автономных систем . 19 (2): 179–187. doi :10.1016/S0921-8890(96)00045-0. PMID  11540395.