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Correr en el mundo real: ajustar la rigidez de las piernas para diferentes superficies

Ferris, Daniel P., Micky Louie, and Claire T. Farley. “Running in the real world: adjusting leg stiffness for different surfaces.” Proceedings of the Royal Society of London. Series B: Biological Sciences 265.1400 (1998): 989-994.

https://doi.org/10.1098/rspb.1998.0388

Un animal que corre coordina las acciones de muchos músculos, tendones y ligamentos en su pata para que la pata en general se comporte como un solo resorte mecánico durante el contacto con el suelo. Las observaciones experimentales han revelado que la rigidez de la pierna de un animal es independiente de la velocidad y el nivel de gravedad, lo que sugiere que está dictada por las propiedades musculoesqueléticas inherentes. Sin embargo, si la rigidez de la pierna fuera invariable, la biomecánica de la carrera (p. Ej., La fuerza máxima de reacción al suelo y el tiempo de contacto con el suelo) cambiaría cuando un animal se encontrara con diferentes superficies en el mundo natural. Descubrimos que los corredores humanos ajustan la rigidez de sus piernas para adaptarse a los cambios en la rigidez de la superficie, lo que les permite mantener una mecánica de carrera similar en diferentes superficies.

Los tendones y los ligamentos sirven como excelentes reservas de energía elástica durante la marcha. Se estiran y retroceden con cada paso, reduciendo el trabajo requerido de los músculos y reduciendo el costo metabólico de la locomoción (Cavagna et al. 1977; Alexander 1988). El sistema nervioso central (SNC) coordina las acciones de los muchos músculos en la extremidad de la postura con las acciones de los tendones y ligamentos para que el sistema general se comporte de manera similar a un solo resorte mecánico durante la carrera (He et al. 1991; Farley et al. 1993). De hecho, el modelo más simple de un animal corriendo es un sistema de resorte ^ masa que consiste en un resorte lineal que representa la extremidad de la postura (es decir, el resorte de la pierna) y una masa puntual equivalente a la masa corporal (Blickhan 1989; McMahon y Cheng 1990) (Fig. 1).

Fig. 1 – El modelo primavera ^ masa. (a) Stick ¢ gure de un corredor humano y (b) el modelo spring ^ mass, ambos en una superficie compatible. Se muestran un total de tres veces diferentes durante el contacto con el suelo: en el primer contacto, en el medio de la fase de apoyo y en el último contacto. El modelo consiste en una masa puntual equivalente a la masa corporal y un solo resorte lineal que representa la pierna. La superficie esencialmente agrega un resorte en serie con el sistema resorte ^ masa del corredor. La compresión de la superficie (ysurf) contribuye al desplazamiento vertical del centro de masa durante el contacto con el suelo (y).

La rigidez del resorte de la pierna (kleg) es un parámetro clave para determinar la dinámica de la carrera. La rigidez de las piernas influye en muchas variables cinemáticas como la frecuencia de paso y tiempo de contacto con el suelo (tc) (McMahon & Cheng 1990; Farley & Gonzalez 1996). La evidencia experimental ha demostrado que la rigidez de las piernas es independiente tanto de la velocidad de avance (He et al. 1991; Farley et al. 1993) como del nivel de gravedad simulado (He et al. 1991), lo que sugiere que las propiedades inherentes del sistema musculoesquelético determinan elección del animal de la rigidez de la pierna. Esta idea está respaldada por estudios recientes que revelan que los músculos de los pavos corriendo sufren muy pocos cambios de longitud durante el contacto con el suelo (Roberts et al. 1997). Por lo tanto, el tendón puede contribuir a la mayor parte del cumplimiento de la unidad muscular ^ tendinosa (Alexander 1988) y en gran medida a la rigidez de la pierna. En el mundo natural, los animales encuentran muchas superficies que se comprimen bajo sus pies. Estas superficies compatibles son como otro resorte en serie con el sistema de resorte ^ masa del corredor (McMahon y Greene 1978, 1979). Si un animal usara la misma rigidez de la pierna en todas las superficies, la dinámica de la carrera se vería afectada por la rigidez de la superficie.

Por ejemplo, si la rigidez de la pierna fuera invariable, la excursión vertical del centro de masa durante una zancada de carrera sería mayor en una superficie conforme debido a la compresión de la superficie. Sin embargo, estudios recientes han revelado que los humanos son capaces de ajustar la rigidez de las piernas durante los movimientos de rebote. La rigidez de la pierna se ajusta para lograr diferentes frecuencias de zancada a la misma velocidad (Farley et al. 1991; Farley y Gonzalez 1996) o para acomodar las diferencias en la rigidez de la superficie durante el salto en el lugar a una frecuencia designada (Ferris Y Farley 1997). Con base en los resultados de estos estudios, planteamos la hipótesis de que los corredores ajustarían la rigidez de las piernas para acomodar las diferentes rigideces de la superficie, permitiéndoles correr de manera similar en todas las superficies. Si los corredores no ajustan la rigidez de las piernas cuando corren en diferentes superficies, entonces el tiempo de contacto con el suelo y el desplazamiento del centro de masa aumentarán a medida que disminuya la rigidez de la superficie.

Fig. 2 – Rigidez vertical efectiva y rigidez de la pierna versus rigidez superficial. (a) Cada corredor mantuvo la misma rigidez vertical en todas las superficies (medidas repetidas ANOVA, pˆ0.6014). Cada tipo de símbolo representa los datos de un solo sujeto. Las líneas representan la rigidez vertical media para todas las superficies de cada sujeto. (b) Cada corredor aumentó la rigidez de la pierna para acomodar las reducciones en la rigidez de la superficie (p = 0.0183). La rigidez de las piernas aumentó hasta un 68% entre la superficie más rígida y la superficie menos rígida. Las líneas son teóricamente predichas las rigidez de las piernas necesarias para mantener una rigidez vertical constante en todas las superficies.
Fig. 3 – Desplazamiento superficial y desplazamiento vertical total versus rigidez superficial. (a) Superficies de menor rigidez comprimidas durante la fase de contacto con el suelo (p50.004). (b) Cada corredor mantuvo el mismo desplazamiento vertical total de su centro de masa durante el contacto con el suelo en todas las superficies a pesar de una mayor compresión de la superficie en superficies con menor rigidez (pˆ0.8189). Esto se logró aumentando la rigidez de las piernas en las superficies de menor rigidez. (a, b) Cada tipo de símbolo representa los datos de un solo sujeto. Las líneas son regresiones lineales de mínimos cuadrados para cada sujeto.
Figura 4. Tiempo de contacto con el suelo y frecuencia de zancada versus rigidez superficial. (a) El tiempo de contacto con el suelo fue independiente de la rigidez de la superficie (pˆ0.3227). (b) Cada corredor también mantuvo la misma frecuencia de zancada independientemente de la rigidez de la superficie (pˆ0.5783). (a, b) Cada tipo de símbolo representa los datos de un solo sujeto. Las líneas son regresiones lineales de mínimos cuadrados para cada sujeto.

4. DISCUSIÓN

McMahon y Greene (1978, 1979) fueron los primeros en estudiar el efecto de la rigidez de la superficie en la biomecánica de la carrera. Su modelo sugirió que ajustar la rigidez de una pista para complementar la rigidez de un corredor podría aumentar la velocidad máxima de carrera. Un punto clave para su análisis fue la suposición de que la rigidez de las piernas era la misma independientemente de la rigidez de la superficie. Esta suposición parecía justificada en ese momento, basada en la noción de que el estiramiento del estiramiento mantenía una rigidez muscular constante (Houk 1976; Nichols y Houk 1976; Ho¡er y Andreassen 1981), y también fue respaldado por resultados de un estudio relacionado sobre extensiones rítmicas de piernas en humanos (Greene y McMahon 1979). Sin embargo, un mayor desarrollo del modelo de masa primaveral (McMahon y Cheng 1990), los avances recientes en modulación re £ ex (Stein y Capaday 1988; Prochazka 1989; Pearson 1995; Stein et al. 1995), y los resultados de nuestro estudio indican que debería ser reconsiderado.

Si bien nuestro estudio no examinó la velocidad máxima de sprint en superficies conformes, nuestros resultados sugieren una explicación para un rendimiento de carrera mejorado en pistas de atletismo para eventos de carrera de media y larga distancia (McMahon y Greene 1978). La pierna de un corredor está más rígida y se comprime menos cuando corre sobre una superficie compatible en comparación con correr sobre una superficie dura no conforme. Una reducción en la compresión de la pierna indica que hay menos exión articular y una postura de extremidad más recta durante el contacto con el suelo (Farley et al. 1996). Con una postura de extremidad más recta, se requieren momentos articulares inferiores y fuerzas musculares para ejercer la misma fuerza de contacto con el suelo. (Biewener 1989). También es importante darse cuenta de que una superficie elástica compatible almacenará y devolverá energía pasivamente con cada paso, reduciendo el trabajo mecánico realizado por los músculos del corredor. Para un humano de 70 kg corriendo a 4.5 ms 71, una pista elástica compatible con una rigidez de 195 kN m71 (McMahon y Greene 1979) almacenaría y devolvería aproximadamente el 9% de los 100 J requeridos para cada paso (Ker et al. 1987) suponiendo una fuerza de reacción vertical en el suelo máxima de 2,75 pesos corporales (Nilsson y Thorstensson 1989). Por lo tanto, una reducción tanto en la generación de fuerza muscular como en la producción de trabajo puede contribuir al rendimiento de carrera mejorado observado en las pistas de carrera elásticas compatibles (McMahon y Greene 1978).

Para estimar los ajustes a la rigidez de las piernas que ocurren en las superficies atléticas, calculamos el cambio en la rigidez de las piernas requerido para acomodar la rigidez en serie de una pista y zapatilla para correr. Para un corredor con una rigidez en la pierna de 18 kN m71, una rigidez en la pista de 195 kN m71 (McMahon y Greene 1979) y una rigidez en el zapato de 200 kN m71 (Alexander y Bennett 1989), rigidez en la pierna Tendría que incrementarse en un 22% para mantener una rigidez vertical constante. El m71 de 18 kN refleja el valor de rigidez de pierna más alto publicado para un total de siete corredores (He et al. 1991; Farley & Gonzalez 1996), pero es probable que sea más grande (Farley et al. 1993) o más fuerte ( Greene y McMahon 1979) los corredores tienen una rigidez en las piernas aún mayor y, por lo tanto, mayores ajustes (Ferris y Farley 1997).

Nuestros resultados también proporcionan información importante sobre el control neuronal de la locomoción. Los cambios en la rigidez de las piernas y la compresión de las piernas en diferentes superficies indican que el SNC no se basa en un patrón específico de dinámica articular para controlar el funcionamiento. Los desplazamientos articulares y los momentos articulares cambian para diferentes rigidez de la superficie, pero el movimiento del centro de masa y el tiempo de contacto con el suelo siguen siendo los mismos. La invariabilidad de estos parámetros globales de carrera sugiere que uno o más de ellos pueden ser controlados por el CNS durante la carrera. Alternativamente, es posible que los ajustes de rigidez de las piernas resulten indirectamente del control de un parámetro neuromuscular de nivel inferior (por ejemplo, minimizar el desplazamiento muscular ¢ bre durante el contacto con el suelo; (Roberts et al. 1997). Otros estudios que exploran el vínculo entre el músculo y la acción del tendón y La rigidez de las piernas debería proporcionar una mejor comprensión fisiológica de los ajustes de rigidez de las piernas durante la carrera.

Independientemente del mecanismo, la capacidad de ajustar la rigidez de las piernas permite a los humanos correr de manera similar en diferentes superficies. Aunque nuestro estudio se limitó a los cambios en la rigidez de la superficie en superficies elásticas conformes, los escasos datos disponibles para la locomoción en superficies que disipan energía indican que los humanos mantienen la misma frecuencia de zancada en superficies duras y arenosas (Zamparo et al.1992). Por lo tanto, un control similar del centro de movimiento de masa también puede existir en superficies inelásticas compatibles, aunque esto obviamente requeriría un aumento en el trabajo muscular para compensar la energía perdida debido a la compresión de la superficie. No examinamos qué tan rápido los humanos pueden ajustar la rigidez de las piernas, pero los datos de las aves que corren sugieren que se ajustan a una nueva rigidez de la superficie en un solo paso (Clark 1988). La capacidad de ajustar la rigidez de las piernas rápidamente permitiría a los animales mantener una estabilidad dinámica cuando corren en terrenos variados e impredecibles. Además, debido a que los robots que corren dependen en gran medida de la elasticidad de sus patas en forma de resorte y siguen una dinámica de centro de masa similar a la de los animales (Raibert 1986; Raibert y Hodging 1993; Raibert et al. 1993), una rigidez ajustable de la pierna podría mejorar su rendimiento en terreno variado. Además de permitir que el robot acomode diferentes rigideces de la superficie, una rigidez ajustable de la pierna permitiría que un robot ajuste rápidamente la longitud de su zancada para evitar obstáculos en superficies rocosas y desiguales (Raibert et al. 1993; Farley y González 1996). Por estas razones, una rigidez ajustable de la pierna podría ayudar a los robots con patas a acercarse a la velocidad y la agilidad de los animales en terreno natural.