【翁天森-運動機能形態(tài)學團隊】
人體運動是基于任務和環(huán)境而產(chǎn)生的，在固定的環(huán)境中，個體基于對自身的感知及認知產(chǎn)生動作以滿足任務的需要。
動作的產(chǎn)生既受制于個體、任務和環(huán)境的相互制約，又依賴于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制。人體在運動時，由神經(jīng)系統(tǒng)控制各關(guān)節(jié)的運動，需要協(xié)調(diào)各骨骼肌產(chǎn)生肌肉力帶動關(guān)節(jié)運動，這是一個復雜的過程，只有中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)出準確的控制信息，人體才能作出合適的選擇，并及時調(diào)整運動過程，從而做出準確的運動響應。
中樞神經(jīng)系統(tǒng)如何組織協(xié)調(diào)多肌肉、多關(guān)節(jié)以產(chǎn)生功能性運動，環(huán)境和個體的感覺信息如何反饋到神經(jīng)系統(tǒng)中并應用于運動的選擇和控制，是運動控制的研究目標。
NO1. 肌肉協(xié)同理論
肌肉協(xié)同理論描述了脊椎動物肢體運動的一種潛在的神經(jīng)肌肉控制機制，即神經(jīng)并不單獨控制某一塊肌肉，而是在脊髓層上募集多個肌肉形成肌肉協(xié)同，處于同一肌肉協(xié)同中的肌肉被同時激活。肌肉協(xié)同被認為是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中運動控制的最小單位。
由于神經(jīng)系統(tǒng)的行為是難以測得的，而骨肌（骨骼-骨骼?。┫到y(tǒng)的行為是可測的，由骨肌系統(tǒng)行為可表征神經(jīng)系統(tǒng)行為，肌肉協(xié)同理論為由骨肌系統(tǒng)的行為解釋神經(jīng)系統(tǒng)的控制提供了可能性。
神經(jīng)系統(tǒng)對于骨肌系統(tǒng)的下行指令即表現(xiàn)在肌肉協(xié)同上，通過脊髓回路或反射反映在肌肉激活上，從而在骨肌系統(tǒng)中形成了力的作用，帶動骨肌系統(tǒng)運動，產(chǎn)生特定的動作。
人體運動的產(chǎn)生來源于中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍神經(jīng)系統(tǒng)突觸發(fā)出的指令，最終匯集到α運動神經(jīng)元池中，受運動神經(jīng)元支配的肌肉被募集，肌肉之間相互協(xié)調(diào)活動在骨骼系統(tǒng)中產(chǎn)生力，并與環(huán)境之間相互作用。
NO2. 骨骼肌的力學特性
骨骼肌是一種很特殊的人體結(jié)構(gòu)，因為它能將神經(jīng)系統(tǒng)的電信號轉(zhuǎn)化為“力”，并引起骨骼系統(tǒng)的運動。根據(jù)肌絲滑行學說，力產(chǎn)生的原因在于收縮肌動蛋白和肌球蛋白分別存在于細肌絲和粗肌絲中，肌肉力的產(chǎn)生由神經(jīng)信號引起，肌球蛋白分子頭部的橫橋以肌球蛋白表面的固定點為中心弧形轉(zhuǎn)動，同時橫橋與肌動蛋白的位點結(jié)合帶動向肌節(jié)中心運動，當肌纖維中的全部肌節(jié)以“全或無”的方式同時縮短時，肌肉即完成一次收縮。
然而，當接收到神經(jīng)信號時，肌肉的反應可縮短，可伸長，或者保持不變的長度，這取決于作用在骨骼肌的內(nèi)力和外力。實驗表明，在任何負載條件下，當受到神經(jīng)信號時，肌肉都會產(chǎn)生力。對于一個給定水平的神經(jīng)輸入，肌組織可以產(chǎn)生大小不同的力，肌肉力取決于肌肉激活度、收縮元的力－長度特性和力－速度特性、并聯(lián)彈性元的力－長度特性（Ｈｉｌｌ肌肉函數(shù)模型）由收縮元(Contractile Component,ＣＣ，對應的生理結(jié)構(gòu)由肌肉構(gòu)成）、串聯(lián)彈性元（Series Elastic Component,ＳＥＣ，對應的生理結(jié)構(gòu)由肌腱構(gòu)成）和并聯(lián)彈性元(Paralle Elastic Component,ＰＥＣ，對應的生理結(jié)構(gòu)由肌束膜、肌肉膜、肌外膜和肌纖維膜構(gòu)成）三元素組成。
肌肉－肌腱驅(qū)動器包括一條長度為Lr的肌腱，一條長度為Lm的肌纖維，α為肌纖維角，是肌腱和肌肉纖維束之間的夾角。
NO3. 動作控制激活
根據(jù)肌肉協(xié)同理論，潛在的神經(jīng)肌肉控制層以各肌肉權(quán)重常數(shù)值的形式存儲在脊髓層，為肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)，而跟隨時間變化的激活控制信號則需要根據(jù)運動進行調(diào)節(jié)，為肌肉協(xié)同激活系數(shù)，各肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)與各肌肉協(xié)同激活系數(shù)進行線性組合可得各肌肉激活度，并產(chǎn)生一系列的肢體運動。
所以，肌肉協(xié)同理論提供了由骨肌系統(tǒng)的行為解釋：神經(jīng)系統(tǒng)控制的思想，通過肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)矩陣和激活系數(shù)矩陣的線性組合，可以表示肌肉協(xié)同對于肌肉激活度的控制。
在運動仿真領(lǐng)域?qū)嶋H操作中，常通過肌肉的函數(shù)模型描述肌肉的力學特性，使肌肉驅(qū)動器按照此規(guī)則，實現(xiàn)對骨肌系統(tǒng)的正向動力學驅(qū)動。
在MATLAB（運動仿真軟件平臺）中實現(xiàn)肌肉模型的構(gòu)建，與骨肌仿真模型結(jié)合構(gòu)建骨肌系統(tǒng)；最后分析肌肉協(xié)同的原理，由肌肉協(xié)同結(jié)構(gòu)矩陣和激活系數(shù)矩陣定義，最后根據(jù)兩矩陣線性組合來表示對肌肉激活度與動作的控制。
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