근력 하이드로스타트

Muscular hydrostat
혀는 근육질 하이드로스타트다.

근육질 하이드로스타트는 동물에서 발견되는 생물학적 구조물이다. 아이템(음식 포함)을 조작하거나 숙주를 이리저리 옮기는 데 사용되며 주로 골격 지지대가 없는 근육으로 구성된다. 그것은 정수 골격에서와 같이 별도의 칸에 유체 없이 수력 운동을 수행한다.

근육질 하이드로스타트는 정수 골격과 같이 생리적 압력에서 물이 효과적으로 압력을 가할 수 없다는 사실에 의존한다. 근육이 유체로 채워진 충치를 둘러싸고 있는 정수성 골격과는 대조적으로 근력 하이드로스타트는 주로 근육 조직으로 구성되어 있다. 근육 조직 자체는 주로 물로 이루어져 있고 또한 효과적으로 압축할 수 없기 때문에 유사한 원리가 적용된다.

근육 해부학

아시아 코끼리의 몸통 클로즈업

근육은 근력 하이드로스타트를 움직이는 힘을 제공한다. 근육은 수축하고 짧아지는 것만으로 힘을 낼 수 있기 때문에 다른 그룹이 수축함으로써 힘을 제공하는 것처럼 서로 다른 그룹의 근육들이 서로 긴장을 풀고 연장하면서 서로 대항하여 활동해야 한다. 그러한 보완적인 근육 집단은 적대적인 쌍이라고 불린다.

근력 하이드로스타트의 근섬유는 긴 축에 평행하고 긴 축에 수직이며 긴 축을 중심으로 비스듬히 감싸는 세 방향으로 방향을 잡고 있다.[1][2]

긴 축에 평행한 근육은 세로 묶음으로 배열되어 있다. 이들 위치가 주변일수록 더욱 정교한 굽힘 동작이 가능하다. 포유류의 혀, 문어 팔, 노틸러스 촉수, 코끼리 줄기에서 더 많은 주변 분포가 발견된다. 돌출에 적응하는 혀는 일반적으로 세로방향 섬유를 중앙에 위치시킨다. 이것들은 뱀 혀, 많은 도마뱀 혀, 포유류 개미핥기에서 발견된다.

긴 축에 수직인 근육은 가로, 원형 또는 반지름 패턴으로 배열할 수 있다. 가로 배치는 긴 축에 수직으로 작용하는 근육 섬유의 시트를 포함하며, 대개 수평 방향과 수직 방향 사이를 교대로 움직인다. 이 배열은 오징어, 문어, 그리고 대부분의 포유류 혀의 팔과 촉수에서 발견된다. 방사형 배열은 장기의 중심에서 모든 방향으로 방사되는 섬유들을 포함한다. 이것은 쐐기풀의 촉수와 코끼리 주발톱니(트렁크)에서 발견된다. 원형 배열은 긴 축을 중심으로 수축성 섬유의 고리가 있다. 이것은 오징어 촉수와 함께 많은 포유류와 도마뱀 혀에서 발견된다.

긴 축 주위의 나선형 또는 사선형 섬유는 일반적으로 두 겹으로 서로 반대되는 음향을 띠며 근육질의 중심핵을 감싸고 있다.

작동 메커니즘

근력 하이드로스타트에서는 근육 조직 자체가 움직임을 만들고 그 움직임에 대한 골격 지지대를 제공한다. 주로 압축 불가능한 "액체"로 구성되어 있고 따라서 부피가 일정하기 때문에 이러한 지원을 제공할 수 있다. 근력 하이드로스타트의 가장 중요한 생체역학 특징은 일정한 부피다. 근육은 주로 생리적 압력에서 기본적으로 압축할 수 없는 수용액으로 구성되어 있다. 근력 하이드로스타트 또는 일정한 체적의 다른 구조에서 한 치수의 감소는 적어도 다른 치수의 보상 증가를 야기할 것이다.[3] 근력 하이드로스타트의 신장, 굽힘 및 비틀림 메커니즘은 모두 단단한 골격 부착물이 없을 때 형상의 변화를 일으키기 위해 부피의 항상성에 의존한다.[4] 근육질의 하이드로스타트는 지름이 증가하거나 감소할 때 일정한 부피 아래에 있기 때문에 길이 또한 각각 감소하거나 증가해야 한다. 실린더를 볼 때 부피는 다음과 같다: V=πr²l. 길이와 관련하여 반지름이 구별되는 경우: dr/dl=-r/(2l) 이로부터 지름이 25% 감소하면 길이는 약 80% 증가하게 되는데, 이는 동물이 무엇을 하려고 하는가에 따라 많은 힘을 발생시킬 수 있다. [5]


연장 및 단축

오징어 아브랄리아 베라니족의 팔과 촉수

하이드로스타트의 연장은 횡방향 또는 나선근육 배치의 수축에 의해 발생한다. 근육 수력근육의 부피가 일정하면, 이러한 수축은 세로근육의 연장을 초래한다. 길이 변화는 지름 감소의 제곱에 비례한다.[3] 따라서 긴 축에 수직인 근육의 수축은 지름이 감소하는 반면 일정한 체적을 유지하면 장기의 길이가 길어진다. 반면에 단축은 긴 축과 평행한 근육의 수축으로 인해 장기의 지름이 증가하고 길이가 짧아질 수 있다.

연장과 단축에 사용되는 근육은 일정한 볼륨 원리와 서로 적대적인 관계를 통해 지지력을 유지한다. 이러한 메커니즘은 종종 삽관개구리와 카멜레온의 먹이 포획에서 볼 수 있으며, 인간의 혀와 많은 다른 예에서도 볼 수 있다. 일부 개구리에서는 혀가 180%까지 길어진다.[6] 구강 내 혀는 구강 내 혀보다 길이/폭 비율이 높아 길이 증가가 가능하다(휴식 길이의 약 50%만 증가하는 구강 내 혀에 비해 휴식 길이의 100% 이상). 연장 길이가 길수록 장기에 의해 생성되는 힘과 맞먹는다. 길이/폭 비율이 증가함에 따라 힘은 감소한다.[1] 오징어들은 먹이를 잡거나 먹이를 주는 데도 근육질의 하이드로스타트 연장을 사용하는 것으로 나타났다.[7]

벤딩

근력 하이드로스타트의 굽힘은 두 가지 방법으로 발생할 수 있는데, 두 방법 모두 적대적 근육을 사용해야 한다.[1] 종근육의 일방적인 수축은 거의 또는 전혀 굽힘 현상을 일으키지 않으며, 반드시 충족되어야 하는 일정한 체적 원리로 인해 근력 하이드로스타트의 지름을 증가시키는 역할을 할 것이다. 하이드로스타트 구조를 구부리려면 종방향 근육의 일방적인 수축은 일정한 직경을 유지하기 위해 횡방향, 방사형 또는 원형 근육의 수축 활성을 동반해야 한다. 근력 하이드로스타트의 굽힘은 지름을 감소시키는 가로, 반지름 또는 원형 근육의 수축에 의해서도 발생할 수 있다. 휨은 구조물의 한쪽에 일정한 길이를 유지하는 세로근육 활동에 의해 발생한다.

근육질 하이드로스타트의 굽힘은 동물의 혀에서 특히 중요하다. 이 동작은 뱀이 주위를 감지하기 위해 혀로 허공을 휙휙휙 던지는 메커니즘을 제공하며, 인간의 언어의 복잡성에 대해서도 책임이 있다.[2]

뻣뻣함

근력 하이드로스타트의 경직은 치수 변화에 저항하는 하이드로스타트의 근육 또는 결합 조직에 의해 이루어진다.[3]

토션

비틀림(Torsion)은 긴 축을 따라 근력 하이드로스타트가 꼬이는 것으로 방향이 다른 근골의[3] 나선형 또는 비스듬한 배열로 생성된다. 시계 반대 방향의 경우 우측 나선이 수축해야 한다. 왼쪽 나선의 수축은 시계방향의 비틀림을 유발한다. 오른쪽과 왼쪽 나선의 동시 수축은 비틀림 힘에 대한 저항력을 증가시킨다. 근력 하이드로스타트의 사선 또는 나선근 배열이 구조물의 변방에 위치하여 근골의 내심을 감싸고 있으며, 이 주변 위치는 토크가 더 중심적인 위치보다 더 큰 모멘트를 제공한다. 나선형으로 배열된 근육 섬유의 효과는 근력 하이드로스타트의 길이 변화에도 기여할 수 있으며, 나선 근육 섬유가 구조의 긴 축으로 만드는 각도인 섬유 각도에 따라 달라진다.

헬리컬 섬유의 길이는 섬유 각도가 54°44°와 같을 때 최소한이며 섬유 각도가 0°와 90°[3]에 근접할 때 최대 길이에 있다. 요약하면 섬유 각도가 54°44㎝ 이상인 헬리컬로 배열된 근육 섬유가 비틀림과 연장에 힘을 발생시키는 반면 섬유 각도가 54°44㎝ 미만인 헬리컬로 배열된 근육 섬유가 비틀림과 쇼트닝 모두에 힘을 발생시킨다는 뜻이다.[8] 사선 또는 나선근육층의 섬유각은 짧아지는 동안 증가해야 하고 길어지는 동안 감소해야 한다. 따라서 비틀림 힘을 만드는 것 외에도, 사선 근육 층은 종방향 압착에 저항하는 횡단 근골에 도움이 될 수 있는 신장력을 만들어 낼 것이다.

예

서인도 해나테

기술 응용 프로그램

엔지니어들과 생물학자들이 서로 다른 크기, 질량, 표면 질감, 기계적 성질의 다양한 물체를 조작하고 처리할 수 있는 로봇 팔을 개발하기 위해 협력했다. 이 로봇 팔은 근육질의 하이드로스타트를 기반으로 하지 않았던 이전의 로봇 팔보다 많은 장점을 가지고 있다.[13]

참조

  1. ^ a b c d e f Kier, W. M.; Smith, K. K. (1985). "Tongues, tentacles and trunks: The biomechanics of movement in muscular-hydrostats". Zoological Journal of the Linnean Society. 83 (4): 307–324. doi:10.1111/j.1096-3642.1985.tb01178.x.
  2. ^ a b Smith, Kathleen K.; William M. Kier (Jan–Feb 1989). "Trunks, tongues, and tentacles: Moving with skeletons of muscle". American Scientist. 77 (1): 28–35.
  3. ^ a b c d e Kier, W. M. (1985). "The musculature of squid arms and tentacles: Ultrastructural evidence for functional differences". Journal of Morphology. 185 (2): 223–239. doi:10.1002/jmor.1051850208.
  4. ^ Wainwright, P. C.; Bennett, A. F. (1992년) "카멜레온의 혀 투영 메커니즘: Ⅱ. 근육질 하이드로스타트에서 형상변화의 역할" 실험생물학 저널 168: 23–40.
  5. ^ 알렉산더, R. 맥앤(2003) 동물 이동의 원리. 프린스턴, NJ: 프린스턴 대학 출판부.
  6. ^ 니시카와, K. C.; 키어, W. M.; 스미스, K. K. (1999년) "아프리카 돼지코 개구리 헤미수스 마르모라툼의 혀운동의 형태학 및 역학: 근육질 정수기 모델 http://jeb.biologists.org/content/202/7/771.short" 실험생물학 저널 202: 771–780.
  7. ^ a b Kier, W. M. (1982). "The functional morphology of the musculature of squid (Loliginidae) arms and tentacles". Journal of Morphology. 172 (2): 179–192. doi:10.1002/jmor.1051720205.
  8. ^ 마이어스, J. J.; 오렐리, J. C., 몬로이, J. A.; 니시카와, K. C. (2004) "마이크로필리드 개구리들의 혀 굴절 기계화. 실험생물학 저널 207: 21–31.
  9. ^ Price, Rebecca (Dec 2003). "Columellar muscle of neogastropods: Muscle attachment and the function of columellar folds". Biological Bulletin. 205 (3): 351–366. doi:10.2307/1543298. JSTOR 1543298.
  10. ^ Matzner, H.; Gutfreund, Y.; Hochner, B. (2000). "Neuromuscular system of the flexible arm of the octopus: Physiological characterization". Journal of Neurophysiology. 83 (3): 1315–1328. doi:10.1152/jn.2000.83.3.1315. PMID 10712459.
  11. ^ Yekutieli, Y.; Sumbre, G.; Flash, T.; Hochner, B. (2002). "How to move with no rigid skeleton? The octopus has the answers". Biologist (London, England). 49 (6): 250–254. PMID 12486300.
  12. ^ Marshall, C. D.; Clark, L. A.; Reep, R. L. (1998). "The muscular hydrostat of the Florida manatee (Trichechus manatus latirostris): A functional morphological model of perioral bristle use". Marine Mammal Science. 14 (2): 290–303. doi:10.1111/j.1748-7692.1998.tb00717.x.
  13. ^ 워커, 신분증; 도슨, D.M.; 플래시, T.; 그라소, F.W.; 핸론, R.T.; Hochner, B.; Kier, W.M.; Pagano, C.C.; Ran, C.D.; Zhang, Q.M. (2005) "두족류에서 영감을 받은 로봇 팔의 연속" SPIE 5804의 절차: 303–314.