Un hidrostato muscular es una estructura biológica que se encuentra en los animales . Se utiliza para manipular objetos (incluidos los alimentos) o para mover a su huésped y está formado principalmente por músculos sin soporte esquelético . Realiza su movimiento hidráulico sin fluido en un compartimento separado, como en un esqueleto hidrostático .
Un hidrostato muscular, como un esqueleto hidrostático, se basa en el hecho de que el agua es efectivamente incompresible a presiones fisiológicas . A diferencia de un esqueleto hidrostático, donde el músculo rodea una cavidad llena de líquido, un hidrostato muscular está compuesto principalmente de tejido muscular. Dado que el tejido muscular en sí está compuesto principalmente de agua y además es efectivamente incompresible, se aplican principios similares.
Los músculos proporcionan la fuerza para mover un hidrostato muscular. Dado que los músculos solo pueden producir fuerza contrayéndose y acortándose, diferentes grupos de músculos tienen que trabajar uno contra el otro, con un grupo relajándose y alargándose mientras el otro grupo proporciona la fuerza contrayéndose. Estos grupos de músculos complementarios se denominan pares antagónicos .
Las fibras musculares en un hidrostato muscular están orientadas en tres direcciones: paralelas al eje longitudinal, perpendiculares al eje longitudinal y envueltas oblicuamente alrededor del eje longitudinal. [1] [2]
Los músculos paralelos al eje mayor están dispuestos en haces longitudinales. Cuanto más periféricamente se encuentren, más elaborados serán posibles los movimientos de flexión. Una distribución más periférica se encuentra en lenguas de tetrápodos , brazos de pulpo , tentáculos de nautilos y trompas de elefante . Las lenguas que están adaptadas para sobresalir suelen tener fibras longitudinales ubicadas en el centro. Estos se encuentran en las lenguas de las serpientes , muchas lenguas de lagartos y los osos hormigueros de los mamíferos .
Los músculos perpendiculares al eje longitudinal pueden estar dispuestos en un patrón transversal, circular o radial. Una disposición transversal involucra láminas de fibras musculares que corren perpendiculares al eje longitudinal, generalmente alternando entre orientaciones horizontal y vertical. Esta disposición se encuentra en los brazos y tentáculos de los calamares, los pulpos y en la mayoría de las lenguas de los mamíferos. Una disposición radial involucra fibras que se irradian en todas direcciones desde el centro del órgano. Esto se encuentra en los tentáculos del nautilo y en la trompa del elefante . Una disposición circular tiene anillos de fibras contractivas alrededor del eje longitudinal. Esto se encuentra en muchas lenguas de mamíferos y lagartos junto con los tentáculos de los calamares.
Las fibras helicoidales u oblicuas alrededor del eje longitudinal generalmente están presentes en dos capas con quiralidad opuesta y envuelven el núcleo central de la musculatura.
En un hidrostato muscular, la propia musculatura crea movimiento y proporciona soporte esquelético para ese movimiento. Puede proporcionar este soporte porque está compuesto principalmente de un "líquido" incompresible y, por lo tanto, tiene un volumen constante. La característica biomecánica más importante de un hidrostato muscular es su volumen constante. El músculo está compuesto principalmente de un líquido acuoso que es esencialmente incompresible en presiones fisiológicas. En un hidrostato muscular o cualquier otra estructura de volumen constante, una disminución en una dimensión provocará un aumento compensatorio en al menos otra dimensión [3] Los mecanismos de elongación, flexión y torsión en los hidrostatos musculares dependen de la constancia. de volumen para efectuar cambios de forma en ausencia de inserciones esqueléticas rígidas. [4] Dado que los hidrostatos musculares tienen un volumen constante cuando el diámetro aumenta o disminuye, la longitud también debe disminuir o aumentar, respectivamente. Cuando se mira un cilindro, el volumen es: V=πr²l. Cuando el radio se diferencia con respecto a la longitud: dr/dl=-r/(2l). De esto, si un diámetro disminuye un 25%, la longitud aumentará aproximadamente un 80% lo que puede producir un gran tamaño. cantidad de fuerza dependiendo de lo que el animal esté tratando de hacer. [5]
El alargamiento en los hidrostatos es causado por la contracción de disposiciones musculares transversales o helicoidales. Dado el volumen constante de hidrostatos musculares, estas contracciones provocan un alargamiento de los músculos longitudinales. El cambio de longitud es proporcional al cuadrado de la disminución del diámetro. [3] Por lo tanto, las contracciones de los músculos perpendiculares al eje largo provocarán una disminución en el diámetro, mientras que mantener un volumen constante alargará el órgano a lo largo. El acortamiento, por otro lado, puede ser causado por la contracción de los músculos paralelos al eje longitudinal, lo que hace que el órgano aumente de diámetro y se acorte en longitud.
Los músculos utilizados en el alargamiento y acortamiento mantienen el soporte a través del principio de volumen constante y sus relaciones antagónicas entre sí. Estos mecanismos se ven a menudo en la captura de presas de ranas nariz de pala y camaleones , así como en la lengua humana y muchos otros ejemplos. En algunas ranas, la lengua se alarga hasta el 180% de su longitud en reposo. [6] Las lenguas extraorales muestran relaciones longitud/ancho más altas que las lenguas intraorales, lo que permite un mayor aumento en la longitud (más del 100% de la longitud en reposo, en comparación con las lenguas intraorales que tienen solo alrededor del 50% de la longitud en reposo). aumentar). Las mayores longitudes de alargamiento se compensan con la fuerza producida por el órgano; A medida que aumenta la relación largo/ancho, el alargamiento aumenta mientras que la fuerza disminuye. [1] Se ha demostrado que los calamares también utilizan el alargamiento hidrostático muscular para capturar y alimentar a sus presas. [7]
La flexión de un hidrostato muscular puede ocurrir de dos maneras, las cuales requieren el uso de músculos antagonistas . [1] La contracción unilateral de un músculo longitudinal producirá poca o ninguna flexión y servirá para aumentar el diámetro del hidrostato muscular debido al principio de volumen constante que debe cumplirse. Para doblar la estructura hidrostática, la contracción unilateral del músculo longitudinal debe ir acompañada de actividad contráctil de los músculos transversales, radiales o circulares para mantener un diámetro constante. La flexión de un hidrostato muscular también puede ocurrir mediante la contracción de músculos transversales, radiales o circulares, lo que disminuye el diámetro. La flexión se produce por la actividad muscular longitudinal que mantiene una longitud constante en un lado de la estructura.
La flexión de un hidrostato muscular es particularmente importante en las lenguas de los animales . Este movimiento proporciona el mecanismo por el cual una serpiente mueve el aire con su lengua para sentir su entorno, y también es responsable de las complejidades del habla humana . [2]
El endurecimiento de un hidrostato muscular se logra mediante el músculo o tejido conectivo del hidrostato que resiste los cambios dimensionales. [3]
La torsión es la torsión de un hidrostato muscular a lo largo de su eje mayor y se produce mediante una disposición helicoidal u oblicua de la musculatura [3] que tiene dirección variable. Para una torsión en sentido antihorario es necesario que se contraiga una hélice derecha. La contracción de una hélice izquierda provoca una torsión en el sentido de las agujas del reloj. La contracción simultánea de las hélices derecha e izquierda da como resultado un aumento de la resistencia a las fuerzas de torsión. Los conjuntos de músculos oblicuos o helicoidales en los hidrostatos musculares están ubicados en la periferia de la estructura, envolviendo el núcleo interno de la musculatura, y esta ubicación periférica proporciona un momento mayor a través del cual se aplica el torque que una ubicación más central. El efecto de las fibras musculares dispuestas helicoidalmente, que también pueden contribuir a los cambios en la longitud de un hidrostato muscular, depende del ángulo de la fibra: el ángulo que forman las fibras musculares helicoidales con el eje longitudinal de la estructura.
La longitud de la fibra helicoidal es mínima cuando el ángulo de la fibra es igual a 54°44′ y es máxima cuando el ángulo de la fibra se aproxima a 0° y 90°. [3] En resumen, esto significa que las fibras musculares dispuestas helicoidalmente con un ángulo de fibra superior a 54°44′ crearán fuerza tanto para la torsión como para el alargamiento, mientras que las fibras musculares dispuestas helicoidalmente con un ángulo de fibra inferior a 54°44′ crearán fuerza para tanto de torsión como de acortamiento. [8] El ángulo de las fibras de las capas musculares oblicuas o helicoidales debe aumentar durante el acortamiento y disminuir durante el alargamiento. Además de crear una fuerza de torsión, las capas de músculos oblicuos crearán una fuerza de elongación que puede ayudar a la musculatura transversal a resistir la compresión longitudinal.
Han colaborado un grupo de ingenieros y biólogos [ ¿cuándo? ] para desarrollar brazos robóticos que sean capaces de manipular y manejar diversos objetos de diferente tamaño, masa, textura superficial y propiedades mecánicas. Estos brazos robóticos tienen muchas ventajas sobre los brazos robóticos anteriores que no se basaban en hidrostatos musculares. [13]