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定量生物学 > 组织与器官

arXiv:2501.00723 (q-bio)
[提交于 2025年1月1日 ]

标题: 随时间变化的等长力的代谢能量消耗

标题: Metabolic energy expenditure for time-varying isometric forces

Authors:Sriram Sekaripuram Muralidhar, Kristen Heitman, Samuel C. Walcott, Manoj Srinivasan
摘要: 肌肉消耗代谢能量(ATP)以产生力量。 一个用于能量消耗的数学模型可能有助于估计运动的实时成本或预测能量最优的运动。 迄今为止开发的代谢成本模型主要针对动态运动任务,其中机械功占主导地位。 此外,虽然已知力量大小和力量变化率(力量率)都会影响代谢成本,但尚不清楚这些项如何相互作用,或者力量率依赖性是否可能是力量依赖性的结果。 在这里,我们进行了广泛的人体实验,每个受试者进行了超过5小时的代谢试验,系统地改变了平均力和力量率,以基于力量和力量率建立一个整体的关系——或者类似地,扭矩和扭矩率。 我们的实验涉及人类产生对称或不对称的正弦波力,具有不同的均值、振幅、频率以及上升和下降周期。 我们表明,代谢成本可以很好地用扭矩和扭矩率的幂律函数之和来近似。 我们发现,代谢成本与关节扭矩呈非线性关系(指数=1.36),并与扭矩率呈非线性关系(指数=2.5)。 令人惊讶的是,数据表明,减少扭矩的成本大约是增加扭矩的四倍,这反映了正功和负功成本之间的类似比率。 利用这些代谢成本关系,我们表明,如果代谢成本随着肌肉力量和力量率的特定指数变化,那么在涉及多个肌肉的多关节任务中也会观察到相同的指数。 我们新的涉及力量和力量率的代谢成本模型将有望更好地预测能量最优的运动,从而为可穿戴机器人设计和分析提供依据。
摘要: Muscles consume metabolic energy (ATP) to produce force. A mathematical model for energy expenditure can be useful in estimating real-time costs of movements or to predict energy optimal movements. Metabolic cost models developed so far have predominantly aimed at dynamic movement tasks, where mechanical work dominates. Further, while it is known that both force magnitude and rate of change of force (force rate) affect metabolic cost, it is not known how these terms interact, or if the force rate dependence can be a consequence of the force dependence. Here, we performed extensive human subject experiments, involving each subject over 5 hours of metabolic trials, which systematically changed the mean forces and forces rates so as to characterize a holistic relation for metabolic cost based on both force and force rate -- or analogously, torque and torque rate. Our experiments involved humans producing symmetric or asymmetric sinusoidal forces with different means, amplitudes, frequencies, and rise and fall periods. We showed that the metabolic cost can be well-approximated by a sum of power law functions of torque and torque rate. We found that the metabolic cost scales non-linearly with joint torque (with exponent = 1.36) and non-linearly with torque rate (with exponent = 2.5). Surprisingly, the data suggested that the cost was roughly four times higher for decreasing the torque than increasing, mirroring the analogous ratio between the cost of positive and negative work. Using these metabolic cost relations, we show that if the metabolic cost scales with particular exponents with muscle force and force rates, the same exponents will be observed in multi-joint tasks with multiple muscles. Our new metabolic cost model involving both force and force rate will potentially allow better predictions of energy optimal movements and thus inform wearable robot design and analysis.
主题: 组织与器官 (q-bio.TO)
引用方式: arXiv:2501.00723 [q-bio.TO]
  (或者 arXiv:2501.00723v1 [q-bio.TO] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.00723
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来自: Manoj Srinivasan [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2025 年 1 月 1 日 04:56:34 UTC (4,401 KB)
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