Измерение усилий мышц.
Роль силовых воздействий в жизнедеятельности организмов.
И первичная обработка информации в них
Лекция 2. Биодатчики силовых воздействий
В живой природе и технике физическое взаимодействие тел реализуется с помощью сил, в результате воздействия которых возникает ускоренное движение. Ускоренное движение, в свою очередь, изменяет кинематические и динамические характеристики тела. Вследствие этого все движущиеся тела, будь то летательный аппарат, промышленный робот или живой организм, которым необходимо решать задачи управления взаимодействием с другими телами и объектами, нуждаются в информации о силовых воздействиях.
Рассмотрим процесс изменения внутреннего состояния тела, вызванный его ускоренным движением. Если внешняя сила приложена к одной из частиц тела, она не может вызвать мгновенного движения всего тела. Вначале начинает двигаться лишь частица, подверженная непосредственному силовому воздействию. Затем, благодаря наличию упругих связей между частицами тела, силовое воздействие постепенно передается дальше, охватывая весь его объем. Только после завершения этого процесса вся масса тела начинает двигаться ускоренно.
Неодновременное “включение” в движение отдельных частиц тела вызывает их относительное перемещение, в результате которого появляются внутренние силы взаимодействия и напряжения между частицами, вызывающие деформацию тела. Именно эти внутренние силы и деформации могут быть обнаружены чувствительными органами в живых организмах или измерительными устройствами на технических объектах.
Рис.1. Обобщенная схема измерителя силовых воздействий.
Следовательно, обобщенная схема измерителя силовых воздействий включает три основных функциональных компонента (рис. 1):
· чувствительный элемент в виде инерционной массы, который может находиться как внутри, так и на поверхности объекта;
· упругую связь между чувствительным элементом и объектом;
· измерительный преобразователь, воспринимающий относительные движения чувствительного элемента или деформации упругой связи и преобразующий их в сигнал, удобный для дальнейшей обработки.
Органы чувств различных животных, воспринимающие силовые воздействия, можно разделить на четыре группы:
² измерители мышечных усилий;
² измерители воздействий объектов окружающей среды;
² измерители результирующей активной силы;
² измерители вращающих моментов.
Рассмотрим упрощенные модели этих биодатчиков
Различают три вида биодатчиков, измеряющих величину и направление сил собственных мускулов: внутримышечные, сухожильные и суставные.
Внутримышечный биодатчик располагается внутри мышцы (рис.2, а). Он представляет собой эластичную полость, внутри которой имеется эластичный стержень из соединительной ткани. Между стержнем и стенками полости имеются упругие связи в виде нескольких эластичных волокон различной толщины. В основании каждого волокна находится рецептор, чувствительный к его деформациям.
Измерительная структура этого биодатчика включает три вида рецепторов. Чувствительные элементы первого вида располагаются в центральной части полости и вырабатывают сигналы пропорциональные величине деформации волокна. Рецепторы второго и третьего вида находятся по краям внутримышечной полости и реагируют на скорость и частоту изменения деформаций.
При изменении расстояния между точками крепления мышцы, её полость меняет форму, эластичные волокна изгибаются, вследствие чего их рецепторы вырабатывают сигналы, характеризующие величину и скорость изменения мышечных усилий.
а) б)
Рис. 2. Измерители силовых воздействий мышц.
Сухожильный биодатчик представляет собой гроздь длинных эластичных лент, которые расходятся веерообразно и заканчиваются в различных участках сухожилия мышцы (рис. 2, б). В основании каждой ленты имеется рецептор, реагирующий на ее деформации. При сокращении мышцы сухожилие растягивается, вследствие чего эластичные ленты изгибаются, и на выходе рецепторов появляется сигнал, характеризующий натяжение сухожилия.
Суставной биодатчик устроен также, как и сухожильные, но измеряет натяжение связок в суставах, возникающее при поворотах костей относительно друг друга. Такие биодатчики являются измерителями угловых движений частей скелета относительно друг друга и обеспечивают контроль кинематики движений животного.
Суставные и сухожильные биодатчики также имеют три вида рецепторов, реагирующих на разные по характеру деформации эластичных лент: на статические отклонения, скорости и частоту изгибов.
Совокупность внутримышечных, сухожильных и суставных биодатчиков обеспечивает измерение величины, направления и скорости силовых воздействий, реализуемых мускулами животного.