筋肉ハイドロスタット

筋肉のハイドロスタットは、動物に見られる生物学的構造です。これは、物体（食物を含む）を操作したり、宿主を動かしたりするのに使用され、骨格によるサポートのない筋肉が主です。これは、静水圧骨格のように、別の区画に液体を置かずに油圧運動を実行します。

筋肉ハイドロスタットは、静水圧骨格と同様に、生理的圧力では水が実質的に非圧縮性であるという事実に依存しています。筋肉が液体で満たされた空洞を囲んでいる静水圧骨格とは対照的に、筋肉ハイドロスタットは主に筋肉組織で構成されています。筋肉組織自体は主に水でできており、実質的に非圧縮性でもあるため、同様の原理が適用されます。

筋肉は、筋肉のハイドロスタットを動かす力を提供します。筋肉は収縮して短くなることでのみ力を発揮できるため、異なる筋肉群は互いに反対方向に働く必要があり、一方の筋肉群が弛緩して伸びると、もう一方の筋肉群が収縮して力を発揮します。このような補完的な筋肉群は拮抗筋ペアと呼ばれます。

筋ハイドロスタットの筋繊維は、長軸に平行、長軸に垂直、長軸の周りを斜めに巻かれた3つの方向に向いています。^{[1] [2]}

長軸に平行な筋肉は縦方向の束に配列されている。これらの筋肉が末梢に位置するほど、より精巧な屈曲運動が可能となる。末梢に分布しているのは、四肢動物の舌、タコの腕、オウムガイの触手、ゾウの鼻などである。突出に適した舌は、通常、中央に縦方向の繊維が位置している。これらは、ヘビの舌、多くのトカゲの舌、および哺乳類のアリクイに見られる。

長軸に垂直な筋肉は、横方向、円形、または放射状のパターンで配置されます。横方向の配置では、筋繊維のシートが長軸に垂直に走り、通常は水平方向と垂直方向が交互になります。この配置は、イカ、タコの腕と触手、およびほとんどの哺乳類の舌に見られます。放射状配置では、繊維が器官の中心からすべての方向に放射状に広がります。これは、オウムガイの触手とゾウの口吻に見られます。円形配置では、長軸の周りに収縮繊維のリングがあります。これは、イカの触手だけでなく、多くの哺乳類とトカゲの舌に見られます。

長軸の周りのらせん状または斜めの繊維は、通常、反対のキラリティーを持つ 2 つの層に存在し、筋肉の中心核を包みます。

筋肉ハイドロスタットでは、筋肉自体が動きを生み出すと同時に、その動きに対する骨格のサポートも提供します。この支持力を提供できるのは、主に非圧縮性の「液体」で構成され、したがって体積が一定であるためです。筋肉ハイドロスタットの最も重要な生体力学的特徴は、その一定体積です。筋肉は主に水性液体で構成されており、生理的圧力では本質的に非圧縮性です。筋肉ハイドロスタットまたは他の一定体積の構造では、1つの次元が減少すると、少なくとももう1つの次元が補償的に増加します。^[3] 筋肉ハイドロスタットの伸長、曲げ、ねじれのメカニズムはすべて、硬い骨格の付着がない場合に形状変化をもたらすために体積の一定性に依存しています。^[4] 筋肉ハイドロスタットは、直径が増加または減少するときに一定体積であるため、長さもそれぞれ減少または増加する必要があります。円筒を見ると、体積はV = πr²lです。半径を長さで微分すると、dr / dl = -r /（2l）です。このことから、直径が25％減少すると、長さは約80％増加し、動物が何をしようとしているかに応じて大きな力を生み出す可能性があります。^[5]

臓器の伸長は、横方向またはらせん状の筋肉の収縮によって引き起こされます。筋肉の臓器の体積が一定であれば、これらの収縮により縦方向の筋肉が伸長します。長さの変化は、直径の減少の2乗に比例します。^[3]したがって、長軸に垂直な筋肉の収縮は直径の減少を引き起こしますが、体積を一定に保つと臓器は長さ方向に伸びます。一方、短縮は長軸に平行な筋肉の収縮によって引き起こされ、臓器の直径が増加すると同時に長さが短縮します。

伸長と短縮に使われる筋肉は、定容積原理と筋肉同士の拮抗関係によって支持を維持している。これらのメカニズムは、ハシバミガエルやカメレオンによる獲物の捕獲、人間の舌など多くの例でよく見られる。カエルによっては、舌が静止長の180%まで伸びることもある。^[6]口外舌は口内舌よりも長さ/幅の比率が高く、長さの増加がより大きくなる（静止長の100%以上、口内舌では静止長の約50%しか増加しない）。より長い伸長長さは、器官が生み出す力とトレードオフの関係にあり、長さ/幅の比率が大きくなると伸長は増加するが力は減少する。^[1]イカは、獲物の捕獲と摂食にも筋肉のハイドロスタット伸長を利用することが分かっている。^[7]

筋性ハイドロスタットの曲げは2つの方法で起こり得、どちらも拮抗筋の使用を必要とする。^[1]縦筋の片側収縮ではほとんどまたは全く曲げが生じず、一定容積原理を満たす必要があるため、筋性ハイドロスタットの直径が増加する。ハイドロスタット構造を曲げるには、縦筋の片側収縮に、横筋、放射筋、または円筋の収縮活動が伴い、一定の直径を維持する必要があります。筋性ハイドロスタットの曲げは、横筋、放射筋、または円筋の収縮によっても起こり、直径が減少する。曲げは、構造の片側で一定の長さを維持する縦筋の活動によって生じる。

筋肉のハイドロスタットの屈曲は動物の舌において特に重要です。この動きは、ヘビが舌で空気をはじいて周囲を感知するメカニズムを提供し、また人間の発話の複雑さにも関係しています。^[2]

筋肉式ハイドロスタットの硬化は、ハイドロスタットの筋肉または結合組織が寸法変化に抵抗することによって実現されます。^[3]

ねじれは、筋ハイドロスタットがその長軸に沿ってねじれることであり、方向が変化する筋肉のらせん状または斜めの配置によって生じます^[3]。反時計回りのねじれには、右巻きのらせんが収縮する必要があります。左巻きのらせんが収縮すると、時計回りのねじれが生じます。右巻きと左巻きのらせんが同時に収縮すると、ねじれ力に対する抵抗が増加します。筋ハイドロスタットの斜めまたはらせん状の筋肉配列は、構造の周辺にあり、筋肉の内部コアを包み込んでいます。この周辺の位置では、より中央の位置よりも、トルクが適用されるモーメントが大きくなります。筋ハイドロスタットの長さの変化にも寄与する可能性のある、らせん状に配置された筋線維の効果は、線維角度、つまりらせん状の筋線維が構造の長軸となす角度に依存します。

らせん状線維の長さは、線維角度が 54°44′ のときに最小になり、線維角度が 0° と 90° に近づくときに最大になります。^[3]まとめると、線維角度が 54°44′ を超えるらせん状に配置された筋線維は、ねじれと伸長の両方の力を生み出し、線維角度が 54°44′ 未満のらせん状に配置された筋線維は、ねじれと短縮の両方の力を生み出します。^[8]斜筋層またはらせん状筋層の線維角度は、短縮中に増加し、伸長中に減少する必要があります。ねじり力を生み出すことに加えて、斜筋層は、したがって、横筋が縦方向の圧縮に抵抗するのに役立つ可能性のある伸長力を生み出します。

• たくさんの虫の全身
• 軟体動物の足^[9]（頭足動物の腕と触手を含む^{[1] [7] [10] [11]}）
• 哺乳類と爬虫類の舌^[1]
• ゾウの鼻^[1]
• 西インドマナティの鼻先^[12]

エンジニアと生物学者のグループが協力して^{[いつ? ]}、さまざまなサイズ、質量、表面の質感、機械的特性を持つさまざまな物体を操作および処理できるロボットアームを開発しました。これらのロボットアームは、筋肉のハイドロスタットに基づいていない従来のロボットアームに比べて多くの利点があります。^[13]