减速扰动下沙漠更格卢鼠后肢朝向与关节机制对动态稳定性的调节作用

《Integrative Organismal Biology》：Research Article: Mechanics of Bipedal Hopping Across an Abrupt Upsloped Perturbation

　　

摘要

在运动过程中，缓解可能阻碍前进和稳定性的突然地面变化对生存至关重要。在这种条件下，对动态稳定性做出贡献的关节层面机制仍未被充分理解。本研究探讨了沙漠更格卢鼠（Dipodomys deserti）如何适应减速扰动——即突然的 10 度上坡。我们提出以下假设：(1) 后肢朝向调节质心（CoM）的俯仰稳定性；(2) 踝关节是减速扰动所致能量吸收需求增加的主要贡献因素。我们记录了高速视频和地面反作用力（GRFs），对象是六只在装有扰动装置的可变地形旋转跑步机上以恒定速度跳跃的沙漠更格卢鼠。采用逆动力学分析量化了水平跳跃和扰动跳跃条件下全身及关节层面的机械输出。在两种条件下，随着地面反作用力（GRF）向量平均方向的加速性增强，平均后肢角度呈现更后缩的状态。然而，当加速度保持恒定时，与水平跳跃试验相比，扰动条件下的后肢角度更为前伸，这可能是由于动物的预期行为所致，即通过在前一空中阶段增加后肢前伸来设定着陆条件。关于质心的角冲量分析表明，在统计模型中包含平均后肢角度后，其与加速度及实验条件均呈正相关关系。该结果支持了我们的第一个假设，表明当动物面临加速挑战及与扰动相关的额外减速力时，对后肢朝向的控制与调节起到了调节俯仰稳定性的作用。在关节层面，除跖趾关节外，所有关节的净功均随加速度增加。膝关节功的增加速率最快，其次是踝关节。因此，我们的第二个假设未得到支持，最可能是因为逆动力学分析中纳入了跗跖关节。由于扰动具有上坡性质，观察到垂直质心动量的变化，并且在扰动条件下，通过减少支撑期减速阶段踝关节的能量吸收来调节这种变化。与我们实验室以往的研究结果一致，这些结果凸显了踝关节在调节垂直质心动量中的重要功能作用。