Влияние параметров походки на энергетическую стоимость

Влияние параметров походки на энергетические затраты - это связь, которая описывает, как изменения в длине шага , температуры , ширине шага и изменчивости шага влияют на механическую работу и метаболические затраты, связанные с походкой . Источник этой взаимосвязи проистекает из отклонения этих параметров походки от метаболически оптимальных значений с отклонением из -за окружающей среды, патологических и других факторов.

Стоимость транспорта [COT]

В человеческой походке для прохождения определенного расстояния химическая энергия должна быть затрачена организмом. Эта связь может быть выражена безразмерным термином, стоимостью транспорта (COT)., ^{[ 1 ]} Это описывает количество метаболической энергии, необходимой для перемещения тела в единицу расстояния. Здоровые люди, идущие на самостоятельной скорости, имеют стоимость транспортировки приблизительно 0,8 калорий/метра/килограмма. ^{[ 2 ]} В зависимости от скорости, условий стабильности и других внутренних и внешних факторов, ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} Стоимость транспорта для походки может измениться. Эти измеренные метаболические изменения объясняются изменениями по длине шага, ширине шага и другим параметрам походки , которые имеют прямой подшипник на кроватке ^{[ 6 ]}^{[ 7 ]}

Предпочтительная походка

Метаболическая стоимость , естественно, оптимизируется путем выбора номинальной походки. В то время как внешние факторы, такие как нестабильность и воспринимаемые опасности, могут временно изменить приоритеты организма, ^{[ 3 ]} Основная цель минимизации зависимых от задачи энергетических расходов ^{[ 8 ]} В конечном счете доминирует в определении предпочтительной походки для ходьбы . В результате люди, как правило, выбирают предпочтительную скорость ходьбы , которая минимизирует их стоимость транспорта . Взаимосвязь между ходьбой и стоимостью транспорта похожа на параболу с предпочтительной скоростью ходьбы с минимумой, что означает, что ходьба с более медленной или более высокой скоростью может привести к аналогичному увеличению энергичных затрат на 1 километр. ^{[ 1 ]} В пределах каждой скорости ходьбы длина шага и каденция также оптимизированы для метаболических затрат. В то время как многочисленные пропорциональные комбинации длины ступенчатого и темпа могут быть использованы для достижения той же скорости ходьбы, предпринимать более быстрые и более короткие шаги или более медленные и более длинные шаги, чем оптимальная комбинация, приводит к увеличению стоимости транспорта. ^{[ 9 ]}

Определения параметров походки

Параметры походки для фиксированной скорости ходьбы варьируются в зависимости от размера (например, длина ноги) разных людей. Тем не менее, типичное или среднее самостоятельное значение может быть оценено на основе среднего размера человека. Механическая работа и метаболическая стоимость, связанные с этими параметрами, могут быть описаны динамической моделью ходьбы .

Длина шага

Длина шага является мерой расстояния, параллельной направлению перемещения, между начальной точкой контакта одной ноги и последовательной начальной точкой контакта противоположной ноги. Длина шага для левого и справа похожа в обычной походке. Другая метрика, аналогичная длине шага, известна как длина шага, которая измеряет расстояние между последовательными точками начального контакта той же ноги, а длина левой и правой шаги обычно эквивалентна. При самостоятельной скорости ходьбы нормальная длина шага составляет приблизительно 0,75 метра для мужчин и немного меньше для женщин из-за гендерной более короткой средней длины ноги. ^{[ 1 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Для других скоростей ходьбы предпочтительная длина шага может быть приблизительно предсказана на основе отношений $\textstyle s\;\alpha \;v^{0.42}$ , где $\textstyle s$ Длина шага и $\textstyle v$ скорость ходьбы. ^{[ 11 ]}

Каденция

Каденция - это показатель скорости ходьбы, обычно измеряемый по количеству ступеней в минуту. Этот параметр также называется частотой шага. При самостоятельной скорости ходьбы частота шага составляет приблизительно 100 шагов/мин. ^{[ 2 ]}^{[ 12 ]}

Шаг ширина

Ширина шага - это мера расстояния, перпендикулярно каждой средней линии ноги, между начальной точкой контакта одной ноги и последовательной начальной точкой контакта противоположной ноги. При самостоятельной скорости ходьбы ширина шага обычно составляет от 10 до 12 см. Это основано на отношениях, которая приравнивает ширину шага к $\textstyle 0.12L$ , где $\textstyle L$ Длина ноги. ^{[ 13 ]}

Шаг изменчивость

Изменчивость шага является мерой стандартного отклонения длины шага и ширины шага, рассчитанной на всех действительных этапах во время одного испытания ходьбы. При самостоятельной скорости ходьбы изменчивость ширины шага (~ 2,8 см) почти всегда больше, чем изменчивость длины шага (~ 1,8 см) ^{[ 7 ]}^{[ 14 ]}

Динамическая ходьба как рамка для кроватки

В динамичной ходьбе человеческое тело может быть смоделировано как центр масс (COM), поддерживаемый безмассовой жесткой ногой в одиночной поддержке и двух безмассовых ногах во время двойной поддержки, ^{[ 15 ]} что согласуется с пассивной динамикой инвертированного маятника, иначе известной как инвертированная теория маятника . В единственной поддержке не выполняется работа, поскольку сила реакции земли перпендикулярна движению COM. В двойной поддержке запекающая нога работает в сочетании с ведущей ногой, чтобы перенаправить движение COM вверх. В течение этого периода перехода на шаг к шагу, запекающая нога выполняет положительную механическую работу на COM, в то время как ведущая нога оказывает негативную механическую работу на COM. Для поддержания устойчивой походки для ходьбы требуется, чтобы сумма настоящих рабочих терминов или чистая работа была равна нулю, поскольку любые изменения в энергии системы придадут различные коммутаторы между началом и окончанием перехода. В то время как идеальная чистая механическая работа этой системы равен нулю, мышечные сокращения необходимы для генерации сил реакции наземных реакций, подразумевая, что затраченная метаболическая энергия является ненулевой.

Механика качания ног

В допущении без безразличия в теории перевернутых маятников пропускается объем работы, необходимой для размахивания контралатеральной ноги во время одной поддержки. Из -за сходства качания ног с парадигмой подвесного маятника, в выполненной работе преобладает гравитация. ^{[ 16 ]} В случае, когда нога качается со скоростью за пределами естественной частоты, крутящий момент бедра, генерируемый мышечным действием, становится значительно больше. Для типичной устойчивой походки аппроксимируется, что энергия, потраченная на выполнение качания ног, составляет от 10% до 30% от общей потребляемой метаболической энергии. ^{[ 17 ]}^{[ 18 ]}

Параметры походки и энергетическая стоимость

Изменения в каждом отдельном параметре походки влияют на энергетическую стоимость ходьбы. Тем не менее, эти же изменения также влияют на другие параметры походки, что приводит к обмену, которые требуют от организма человека применять оптимизации , которые минимизируют энергетические затраты.

Длина шага

Энергетическая стоимость увеличивается с более длинной длиной шага из-за увеличения сил реакции заземления во время двойной поддержания и большего крутящего момента на тазобедренном моменте во время фазы качания. Согласно модели динамической ходьбы, механическая работа в переходах к шагам увеличивается пропорциональна длине шага и может быть описана $\textstyle {\dot {W}}\;\alpha \;l^{4}$ , где $\textstyle {\dot {W}}$ Механическая скорость работы и $\textstyle l$ это длина шага, которая равна пропорциональному увеличению чистой скорости метаболизма. ^{[ 19 ]} Эта связь обусловлена уменьшением вклада вертикальной силы для перенаправления COM под более широкими шагами, связанными с более длинной длиной шага. Большая длина шага также требует дополнительного крутящего момента бедра во время фазы свинга, чтобы пройти более широкий угол, что способствует скорости метаболической стоимости в коэффициент длины ноги в квадрате ^{[ 15 ]}

Каденция

Увеличение каденции приводит к большему количеству случаев перепадов ног и переходов на шаг к шагу в течение единицы времени, что приводит к увеличению температуры энергичных затрат. Взаимосвязь между механической работой и частотой шага может быть описана $\textstyle {\dot {W}}\;\alpha \;f^{3}$ Для переходов по шагам, где $\textstyle {\dot {W}}$ является механическим рабочим скоростью и $\textstyle f$ это шаг частота. ^{[ 19 ]} Скорость метаболической стоимости также следует за этими отношениями. Влияние каденции на метаболические затраты на ноги приближается к $\textstyle {\dot {E}}\;\alpha \;f^{4}$ , где $\textstyle {\dot {E}}$ Скорость метаболической стоимости и $\textstyle f$ это частота шага ^{[ 17 ]}

Шаг ширина

Подобно выбору длины и частоты шага, люди также выбирают метаболически оптимальную ширину шага. ^{[ 6 ]} Принятие более широкой позиции увеличивает стабильность пассивной динамической системы, а также увеличивает боковое разрешение качающейся ноги от стойки. ^{[ 20 ]} Согласно модели динамической ходьбы, медиолатеральная «качалка» ног также может быть описана перевернутой парадигмой маятника, и более широкая позиция также потребует увеличения силы реакции наземного перенаправления для перенаправления COM и, таким образом, увеличить метаболическую потребность. Для более узкой позиции, из -за недостаточного зазора, крутящий момент бедра может быть увеличен, чтобы проецировать качающую ногу сбоку, что также приводит к увеличению затрат на метаболизм. ^{[ 6 ]} Взаимосвязь между шириной шага и энергетическими затратами для переходов к шагам может быть описана как $\textstyle {\dot {E}}\;\alpha \;{\dot {W}}\;\alpha \;w^{2}$ , где $\textstyle {\dot {E}}$ Скорость метаболической стоимости, $\textstyle {\dot {W}}$ является механической скоростью работы, и $\textstyle w$ ширина шага.

Шаг изменчивость

Изменчивость ширины шага связана с активным контролем нервной системы для стабильности ходьбы и снижается в присутствии внешних стабилизаторов ^{[ 4 ]}^{[ 21 ]} При увеличении с воздействием баланса возмущений. ^{[ 7 ]} Изменчивость длины шага аналогично объясняется из-за связи, которая существует между медио-латеральным и передним движением в ходьбе, но в уменьшении степени. ^{[ 13 ]} Изменчивость ширины шага положительно коррелирует со скоростью метаболической стоимости, а в отношении изменчивости, связанной с медиолатеральным балансом, составляет около 6% затрат на метаболические расходы в предпочтительной походке. ^{[ 13 ]} В то время как некоторые энергетические затраты, возникающие с изменчивостью шага, могут возникнуть из -за чистых изменений по ширине шага и длине шага, существует часть затрат, которая может быть связана с усилиями контроля устойчивости во время ходьбы.

Ограниченная оптимизация

Поскольку несколько различных параметров походки оказывают значительное влияние на энергетическую стоимость ходьбы, каждый из этих параметров должен быть рассмотрен при изучении основной цели оптимизации метаболических затрат. Визуализация такой оптимизации для скорости ходьбы, температуры и длины шага может быть выражена в форме контурной карты , в которой комбинации параметров, которые лежат на одной контурной линии, имеют одинаковую стоимость транспорта (Cal/кг/м) Полем ^{[ 2 ]}^{[ 22 ]} Зеленые, красные и синие, пунктирные линии представляют значения, где частого каденции, скорости ходьбы и длина шага ограничены соответственно. Эти строки могут быть сформированы путем поиска касательных точек, которые линии, репрезентативные для нескольких постоянных значений параметров, формируются с постоянными контурами котенок. Например, оптимальная кроватка для ограниченных скоростей ходьбы (красный) можно найти путем рисования вертикальных линий и отметив, где они образуют касательную с контуром, как видно с точкой B на диаграмме. Серия из этих пересечений может затем сформировать кривую для оптимальной кроватки при ограниченной скорости ходьбы. Эти ограниченные значения оптимизации не только отражают натурально выбранные предпочтительные параметры походки , которые наблюдаются путем фиксации одного параметра на разных значениях, но также являются частью прогнозирующей карты, которая позволяет идентифицировать стоимость транспорта для многомерной системы .

Смотрите также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Ральстон, HJ (1958). Энергетическая скорость и оптимальная скорость во время ходьбы. Международный журнал прикладной физиологии, включая физиологию работы, 17 (4), 277-283.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Zarrugh, My, Todd, FN, & Ralston, HJ (1974). Оптимизация расходов энергии во время ходьбы. Европейский журнал прикладной физиологии и профессиональной физиологии, 33 (4), 293-306.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Voloshina, AS, Kuo, AD, Daley, MA, & Ferris, DP (2013). Биомеханика и энергия ходьбы по неровной местности. Журнал экспериментальной биологии, 216 (21), 3963-3970.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Ijmker, T., Houdijk, H., LaMoth, CJ, Beek, PJ, & Van Der Woude, LH (2013). Стоимость энергоснабжения контроля баланса во время ходьбы уменьшается с жесткостью внешнего стабилизатора независимо от скорости ходьбы. Журнал биомеханики, 46 (13), 2109-2114.
^ Detrembleur, C., Dierick, F., Stoquart, G., Chantraine, F. & Lejeune, T. (2003). Энергетическая стоимость, механическая работа и эффективность гемипаретической ходьбы. Походка и поза, 18 (2), 47-55.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Donelan, JM, & Kram, R. (2001). Механические и метаболические детерминанты предпочтительной ширины шага в ходьбе человека. Труды Королевского общества Лондона. Серия B: Биологические науки, 268 (1480), 1985-1992.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в .O'Connor, SM, Xu, HZ, & Kuo, AD (2012). Энергетическая стоимость ходьбы с повышенной изменчивостью шага. Походка и поза, 36 (1), 102-107.
^ Макнил Александр, Р. (2002). Энергетика и оптимизация человеческой ходьбы и бега: Мемориальная лекция Raymond Pearl 2000 года. Американский журнал человеческой биологии, 14 (5), 641-648.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Zarrugh, My, & Radcliffe, CW (1978). Прогнозирование метаболической стоимости ровной ходьбы. Европейский журнал прикладной физиологии и профессиональной физиологии, 38 (3), 215-223.
^ Sekiya, N., Nagasaki, H., Ito, H. & Furuna, T. (1997). Оптимальная ходьба с точки зрения изменчивости в длине шага. Журнал ортопедической и спортивной физиотерапии, 26 (5), 266-272.
^ Greive, DW (1968). Схемы походки и скорость ходьбы. Биомедицинская инженерия, 3 (3), 119-122.
^ Cavagna, GA, & Franzetti, P. (1986). Детерминанты частоты шага при ходьбе по людям. Журнал физиологии, 373 (1), 235-242.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Bauby, CE, & Kuo, AD (2000). Активный контроль бокового баланса в ходьбе человека. Журнал биомеханики, 33 (11), 1433-1440.
^ Owings, TM, & Grabiner, MD (2004). Изменчивость ширины шага, но не изменчивость длины шага или изменчивость времени шага, различает походку здоровых молодых и пожилых людей во время локомоции на беговой дорожке. Журнал биомеханики, 37 (6), 935-938.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Donelan, JM, Kram, R. & Kuo, AD (2002). Механическая работа для переходов к шагам является основным фактором, определяющим метаболическую стоимость ходьбы человека. Журнал экспериментальной биологии, 205 (23), 3717-3727.
^ Mochon, S. & McMahon, TA (1980). Баллистическая ходьба: улучшенная модель. Математические биологические науки, 52 (3), 241-260.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Doke, J., Donelan, JM, & Kuo, AD (2005). Механика и энергия размахивания человеческой ноги. Журнал экспериментальной биологии, 208 (3), 439-445.
^ Gottschall, JS, & Kram, R. (2005). Энергетическая стоимость и мышечная активность, необходимые для качания ног во время ходьбы. Журнал прикладной физиологии, 99 (1), 23-30.
^ Jump up to: ^а ^{беременный} Kuo, AD, Donelan, JM, & Ruina, A. (2005). Энергетические последствия ходьбы, как перевернутый маятник: переходы на шаг к шагу. Обзоры упражнений и спортивных наук, 33 (2), 88-97.
^ Kuo, AD (1999). Стабилизация бокового движения в пассивной динамической ходьбе. Международный журнал исследований робототехники, 18 (9), 917-930.
^ Donelan, JM, Shipman, DW, Kram, R. & Kuo, AD (2004). Механические и метаболические требования к активной боковой стабилизации при ходьбе человека. Журнал биомеханики, 37 (6), 827-835.
^ Bertram, Je, & Ruina, A. (2001). Многочисленные отношения скорости ходьбы и частота прогнозируются с ограниченной оптимизацией. Журнал теоретической биологии, 209 (4), 445-453.

Внешние ссылки

[optimal_speed-1] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Ральстон, HJ (1958). Энергетическая скорость и оптимальная скорость во время ходьбы. Международный журнал прикладной физиологии, включая физиологию работы, 17 (4), 277-283.

[human_COT-2] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Zarrugh, My, Todd, FN, & Ralston, HJ (1974). Оптимизация расходов энергии во время ходьбы. Европейский журнал прикладной физиологии и профессиональной физиологии, 33 (4), 293-306.

[uneven_terrain-3] Jump up to: ^а ^{беременный} Voloshina, AS, Kuo, AD, Daley, MA, & Ferris, DP (2013). Биомеханика и энергия ходьбы по неровной местности. Журнал экспериментальной биологии, 216 (21), 3963-3970.

[external_stabilizer-4] Jump up to: ^а ^{беременный} Ijmker, T., Houdijk, H., LaMoth, CJ, Beek, PJ, & Van Der Woude, LH (2013). Стоимость энергоснабжения контроля баланса во время ходьбы уменьшается с жесткостью внешнего стабилизатора независимо от скорости ходьбы. Журнал биомеханики, 46 (13), 2109-2114.

[hemiparetic_gait-5] Detrembleur, C., Dierick, F., Stoquart, G., Chantraine, F. & Lejeune, T. (2003). Энергетическая стоимость, механическая работа и эффективность гемипаретической ходьбы. Походка и поза, 18 (2), 47-55.

[optimal_step_width-6] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Donelan, JM, & Kram, R. (2001). Механические и метаболические детерминанты предпочтительной ширины шага в ходьбе человека. Труды Королевского общества Лондона. Серия B: Биологические науки, 268 (1480), 1985-1992.

[step_variability-7] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в .O'Connor, SM, Xu, HZ, & Kuo, AD (2012). Энергетическая стоимость ходьбы с повышенной изменчивостью шага. Походка и поза, 36 (1), 102-107.

[min_metabolic-8] Макнил Александр, Р. (2002). Энергетика и оптимизация человеческой ходьбы и бега: Мемориальная лекция Raymond Pearl 2000 года. Американский журнал человеческой биологии, 14 (5), 641-648.

[optimal_step_length_&_cadence-9] Jump up to: ^а ^{беременный} Zarrugh, My, & Radcliffe, CW (1978). Прогнозирование метаболической стоимости ровной ходьбы. Европейский журнал прикладной физиологии и профессиональной физиологии, 38 (3), 215-223.

[optimal_step_length_variability-10] Sekiya, N., Nagasaki, H., Ito, H. & Furuna, T. (1997). Оптимальная ходьба с точки зрения изменчивости в длине шага. Журнал ортопедической и спортивной физиотерапии, 26 (5), 266-272.

[step_length_and_speed_relation_equation-11] Greive, DW (1968). Схемы походки и скорость ходьбы. Биомедицинская инженерия, 3 (3), 119-122.

[determinants_of_step_frequency-12] Cavagna, GA, & Franzetti, P. (1986). Детерминанты частоты шага при ходьбе по людям. Журнал физиологии, 373 (1), 235-242.

[preferred_step_width-13] Jump up to: ^а ^{беременный} ^в Bauby, CE, & Kuo, AD (2000). Активный контроль бокового баланса в ходьбе человека. Журнал биомеханики, 33 (11), 1433-1440.

[step_variability_indicates_age-14] Owings, TM, & Grabiner, MD (2004). Изменчивость ширины шага, но не изменчивость длины шага или изменчивость времени шага, различает походку здоровых молодых и пожилых людей во время локомоции на беговой дорожке. Журнал биомеханики, 37 (6), 935-938.

[dynamic_walking_2002-15] Jump up to: ^а ^{беременный} Donelan, JM, Kram, R. & Kuo, AD (2002). Механическая работа для переходов к шагам является основным фактором, определяющим метаболическую стоимость ходьбы человека. Журнал экспериментальной биологии, 205 (23), 3717-3727.

[ballistic_walking-16] Mochon, S. & McMahon, TA (1980). Баллистическая ходьба: улучшенная модель. Математические биологические науки, 52 (3), 241-260.

[dynamic_walking_leg_swing-17] Jump up to: ^а ^{беременный} Doke, J., Donelan, JM, & Kuo, AD (2005). Механика и энергия размахивания человеческой ноги. Журнал экспериментальной биологии, 208 (3), 439-445.

[leg_swing_muscle_activity-18] Gottschall, JS, & Kram, R. (2005). Энергетическая стоимость и мышечная активность, необходимые для качания ног во время ходьбы. Журнал прикладной физиологии, 99 (1), 23-30.

[dynamic_walking_2005-19] Jump up to: ^а ^{беременный} Kuo, AD, Donelan, JM, & Ruina, A. (2005). Энергетические последствия ходьбы, как перевернутый маятник: переходы на шаг к шагу. Обзоры упражнений и спортивных наук, 33 (2), 88-97.

[passive_dynamics_walker-20] Kuo, AD (1999). Стабилизация бокового движения в пассивной динамической ходьбе. Международный журнал исследований робототехники, 18 (9), 917-930.

[external_stabilizer_II-21] Donelan, JM, Shipman, DW, Kram, R. & Kuo, AD (2004). Механические и метаболические требования к активной боковой стабилизации при ходьбе человека. Журнал биомеханики, 37 (6), 827-835.

[constrained_optimization-22] Bertram, Je, & Ruina, A. (2001). Многочисленные отношения скорости ходьбы и частота прогнозируются с ограниченной оптимизацией. Журнал теоретической биологии, 209 (4), 445-453.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]

[ 20 ]

[ 21 ]

[ 22 ]