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「筋肉」機器人

昱夫
・2014/07/02 ・940字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 534 ・七年級

musclepowere

變形金剛?那還不夠炫拉,在此為您介紹「筋肉」機器人~

印象中,機器人總是以電路和硬質的關節、骨架組成,透過電路訊號完成機器操作;而現在, 新一代的生物機器即將顛覆你的想像!伊利諾大學香檳分校(University of Illinois at Urbana-Champaign)的Rashid Bashir團隊,在近期的Proceedings of the National Academy of Science期刊上發表了一款利用生物肌肉與3D列印骨架組合而成的「筋肉」機器人[1]。

這已經不是Bashir的團隊第一次發表生物性機器人,作為此領域的先驅,他們一直致力于發展微型生物性機器人(小於1公分),希望能應用在藥物輸送、標靶治療上。過去他們曾使用鼠類的心臟細胞作為馬達來驅動3D列印製成的骨架,使其能夠完成走路的動作,但是由於該細胞會自主收縮,造成設計者無法有效控制運動的狀況。

有鑒於先前的缺點,新款的筋肉機器人使用了骨骼肌取代心臟細胞作為運動馬達,並透過電流脈衝來控制它的收縮。如影片所示,機器人的構造分成三部分:1. 3D列印製作而成的水凝膠骨架,它作為支撐整個機器人的結構主體,並具備一定柔軟性提供機器人運動的空間; 2. 作為運動馬達的骨骼肌細胞;3. 連接骨骼肌與骨架的接點,整體的結構是模仿生物「肌肉-肌腱-骨架」的構造而設計,兩側的接點同時也作為機器人行走時的「腳」。當電流脈衝輸入到骨骼肌內,骨骼肌便會收縮帶動機器人行走,機器人運動的速度可以根據電流脈衝的頻率來做調整,頻率越快機器人運動越快。

這款設計有幾項明顯的優勢,像是使用3D設計的骨架,可以提供未來的設計者更多的變化可能,設計者可以根據自己的需求重新更換骨架零件來達到不同功能;再者,可以精準調控運動的速度,提高了使用的泛用性。

未來,研究團隊希望能將這款筋肉機器人的功能進一步提升,像是加入神經元和受器使其能夠針對不同外界刺激或是不同化學物質濃度來執行具方向性的運動。「我們的目標是希望將這款機器發展成一套感應型的標靶藥物輸送載體,當機器在人體內偵測到特定的化學物質濃度變化(可能是疾病造成),便會主動向病灶移動並釋放出藥物,而現在這款能夠精密控制的筋肉機器人正是邁向夢想的一大步」Bashir說道。

參考資料:

  1. Three-dimensionally printed biological machines powered by skeletal muscle, PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1401577111

資料來源:Muscle-powered bio-bots walk on command PHYS.ORG [June 30, 2014]

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昱夫
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PanSci實習編輯~目前就讀台大化學所,研究電子與質子傳遞機制。微~蚊氫,在宅宅的實驗室生活中偶爾打點桌球,有時會在走廊上唱歌,最愛929。

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鍛鍊核心肌群留意這幾點,才能有效又安全!
careonline_96
・2023/01/17 ・3012字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

說到鍛鍊核心,許多人會先想到現在年輕人的短上衣與若隱若現的腹肌線條。「是不是要一直做捲腹或仰臥起坐,才能有漂亮的腹肌線條呢?」

然而實際上的練核心,並不是專注於腹部的六塊肌,除了腹部肌群,包括在脊椎、下背、髖部的肌肉群,也就是軀幹中間的這一大部分,或「除了頭、手、腳之外的肌群」,這些我們每天走路、移動、活動一定需要用到的基本,都屬於核心肌群要鍛鍊的範圍;當核心肌群的肌力與活動度增加,對減少下背痛、髖部痛、膝蓋痛都有幫助。

如果你想要開始鍛鍊核心,請注意下列幾點:

  • 注意環境安全

不管你準備做什麼運動練習,首先都要先從安全開始考量。核心的鍛鍊並不困難,只要你有一小塊空間,能夠放個地墊、瑜珈墊,周邊稍微整理一下,自己揮一揮手、轉個身體,確認不會踢到打到其餘物品,就是個安全的環境了。

多數核心運動的鍛鍊是可以用徒手練習達成的,也就是不需要準備其他特殊器材即可練習。

  • 完整熱身

如果你今天只準備要做核心訓練,還是要先做熱身,例如原地踏步幾分鐘,手臂可以同時做一些大幅度的活動,像是肩膀轉圈,雙手畫大圓之類的,讓身體熱起來;或者,做一些類似舞蹈動作的熱身,讓身體每個關節都稍做活動,再進入核心的鍛鍊。

  • 維持好姿勢

在鍛鍊核心的時候,常常會聽到,要「收好核心」或「核心用力」這樣的敘述;如果你還不太有感覺,可以想像將肚臍愈來愈拉近背部,並且收緊尾骨處,這就是收好核心的模樣了。

注意不要翹起臀部,不要骨盆前傾,萬一下背部到臀部的曲度太大,會導致問題並讓下背部愈容易受傷。假使平常是久坐的人想要鍛鍊核心,可能會因為髖屈肌太緊而讓骨盆前傾,這時可以善用滾筒先放鬆一下髖屈肌。

  • 過程之中不應有痛

核心練習的過程中,你會感到腹部核心的肌肉緊縮感,但不應該是痛,尤其要注意躺著練習核心的時候,下背部應該都要平貼在地墊上,過程中若有下背痛,很可能是姿勢並不正確,請不要勉強自己繼續,而是要好好檢查自己的動作並做調整,再度確認下背部有好好地貼平於地面,不要拱背或弓背。

萬一真的怎麼做都會痛,要讓醫師診視,確認是否已有其他肌肉骨骼上的問題。

  • 不要過度強調核心肌力

練核心除了鍛鍊核心肌力外,同時也要做足夠的伸展,保持肌肉的靈活度。空有肌力但沒有靈活度的話,反而會讓核心不穩定,在做各種活動運動的時候,無法做出流暢的動作,也無法讓核心肌力做出適當的發揮。

另外,不需要天天練核心肌力,其實很多複合性動作的訓練過程中,本來就會需要核心的啟動,再過度練習核心反而會帶來下背痛,甚至疝氣,一般一週練習二到三次即可。

  • 逐步提高運動強度

想加強核心運動的強度時,可以靠著加強練習的組數或反覆的次數來做到;另外,改變穩定度也是個很好的練習。像是原本在平坦的地墊上練習,接著可以挑戰「不穩定性」,原本雙腳支撐的臀橋練習改成單腳支撐;原本雙手雙腳著地的棒式,交替地放開一隻手及一隻腳。

不穩定性對核心的刺激是非常有幫助的,不過就像是我們開頭所說的,所有的運動練習都應該首重安全,減少自己受傷的機會。因此最好是在穩定平面的練習中已經可以做的很好之後,再來挑戰不穩定的部分。

在家徒手鍛鍊核心,先做幾個練習

  • 跪姿平衡

採四足跪姿,以雙手和雙膝著地。雙手的距離與肩膀同寬,剛好落在肩膀下方,而膝蓋剛好落在髖部下方。收緊腹部的肌肉,右手離開地面舉至與肩膀同高度,手心向下,穩定後左腳向後伸直舉起,收緊臀部和大腿的肌肉,這時先維持右手、軀幹背部、到左腳都是同一水平高度,僅有左手和右膝著地;停留一兩秒後再回覆原始動作。

  • 捲腹

躺在地墊上,雙膝彎曲,雙腳微微打開踩地。手臂彎曲放在腦後。腹部緊縮用力,抬起上背,讓肋骨往髖骨靠近,肩膀要離開地面,到軀幹約與地面呈 30 度角;腹部緊縮出力、抬起身體時慢慢吐氣。後來慢慢放下背部,開始吸氣,但不要回到原始位置,連續練習個 15 到 20 次。

如果怕自己手放頭後面很習慣太出力而壓迫頸部,可以把雙手伸直往前或交叉放在胸前。每次連續練習完,如果你覺得自己頸部有點緊繃,請躺在地上讓頸部向左向右轉動幾下,緩解脖子的不適。

捲腹變化練習 – 居家練核心

  • 棒式

棒式有許多別名,像是也有人會用「平板式」、「撐體」、「平板支撐」等方式來稱呼。基本動作是趴著面對地墊,手肘位在肩膀正下方,臀部、核心用力撐起身體,僅剩腳尖與手肘手臂是和地面相連的。

不要低頭或仰頭,眼睛看向約 20~30 公分前方的地墊,這是「肘撐棒式」。也可以改成兩手打直,用兩手手掌支撐於地,其餘不變,我們稱此為「掌撐棒式」;可以停留 30 秒到 1 分鐘左右。

棒式變化讓你練全身

  • 側棒式

先右側躺,讓右手肘落在右側肩膀的正下方,右手前臂平貼著地墊;讓膝蓋以下繼續貼在地墊上,抬起髖部、撐起身體,讓軀幹呈一直線,維持 30 秒。如果這樣的動作還算簡單,可以改成雙腳交疊支撐,也就是只有手肘和腳與地墊相連,並保持身體與腿呈一直線。

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大象你的鼻子怎麼伸得這麼長?因為多功能皮膚也能伸展!
Peggy Sha
・2022/08/24 ・1627字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

「大象~大象~你的鼻子怎麼那麼長?」

在象鼻皺皺的皮膚下面,隱藏著超強伸展力。 圖/envatoelements

喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)最新的研究發現,大象皺巴巴的「皮膚」竟然隱藏著超強的「伸展之力」,跟肌肉簡直就是完美搭檔。有了隱藏的伸展力,大象就能夠加倍發揮象鼻的各種功能,還能將象鼻伸得更長、更遠!

又硬又軟的萬用工具!象鼻究竟有多強?

象鼻實在是非常神奇的存在,它擁有超過四萬條肌肉,既能柔軟靈活地捲起水果和樹葉,又能強悍地打斷樹幹、抵禦攻擊。究竟它為何能這樣「又硬又軟」靈活切換呢?

神奇的象鼻,靈活地就像大象的手一樣。 圖/GIPHY

為了深入探索象鼻的秘密,研究團隊特別跑去亞特蘭大動物園(Zoo Atlanta),設置了高速攝影機,紀錄下非洲大象用象鼻拿取食物的過程。

乍看之下,軟軟的象鼻似乎就像我們的舌頭一樣,是充滿肌肉的無骨組織。然而,它真正派上用場時,可一點兒也不像舌頭呢!透過鏡頭,研究人員發現:象鼻頂部底部的運動狀況完全不一樣。當大象伸長象鼻時,象鼻外側的延伸能力比內側強多了。仔細看看畫面,就能發現外側的象鼻其實伸得更長!

非洲象用象鼻拿取食物的過程。影/Georgia Tech College of Engineering

秘密就在皮膚裡!打開皺紋發揮伸展之力吧!

至於兩邊的長度為何會有如此大的差距呢?秘密原來就藏在象鼻的皺褶中!研究團隊解剖了大象屍體,發現象鼻外側與內側的皮膚非常不同——象鼻外側那摺疊起來的皮膚,比另一側的皮膚多出了約 15% 的彈性。

更有趣的是,大象移動象鼻的方式,跟章魚觸手這種軟趴趴器官常用的「平均伸展大法」十分不同,象鼻伸展時就像是打開了一把折疊傘,內部是固定的,而傘面則可以向外變寬、延伸。不只如此,大象們還會如同開折傘一樣「分批運動」象鼻喔!

怎麼說呢?牠們運用象鼻時,會先探出頂端,然後視需求一節一節依序運用後面的肌肉,不到萬不得已,絕對不會動到靠近身體這側的肌肉群!學者們表示,大象之所以會這樣動,是因為象鼻前端部分的肌肉量較少,動起來也比較不費勁,而大象其實就跟人類一樣懶,當然是追求越省力越好囉!

在拿取東西時,象鼻會由前往後一節節伸展。圖/envatoelements

借我學一下啦!皺褶象皮竟能應用在機器人身上?

另一方面,象鼻上這些皺巴巴的皮膚其實也十分堅硬,能起到重要的保護作用。比如說,在關節部分,一般肌肉容易拉伸,甚至拉傷,但如果有了皺褶,則需要花上整整 13 倍的力量才能拉伸。

這樣的保護力有什麼用呢?在未來,或許可以應用在仿生機器人身上喔!許多仿生機器人都會設計液壓系統,雖然十分靈活,但施力時卻也非常容易斷裂。如果我們能在機器人身上添加一些皺巴巴的皮膚,不僅能提供更強大的保護力,也讓機器人在運用上出現更多不同的可能性。

參考資料

  1. Skin: An additional tool for the versatile elephant trunk
  2. Schulz, A. K., Boyle, M., Boyle, C., Sordilla, S., Rincon, C., Hooper, S., Aubuchon, C., Reidenberg, J. S., Higgins, C., & Hu, D. L. (2022). Skin wrinkles and folds enable asymmetric stretch in the elephant trunkProceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America119(31), e2122563119. https://doi.org/10.1073/pnas.2122563119
  3. How Skin Helps Elephants Move and Twist Their Trunks
  4. 動物奇門功夫.象鼻神奇構造
Peggy Sha
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曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。

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「想像力」幫費爾普斯奪下了23面金牌,難道,我也可以嗎?——《心念的力量》
商業周刊
・2022/08/20 ・2148字 ・閱讀時間約 4 分鐘

泳壇的傳奇人物——「飛魚」費爾普斯

美國游泳健將麥可.費爾普斯(Michael Phelps)擁有二十八枚獎牌(其中二十三枚是金牌),至今仍然是最多榮譽獎牌的奧運選手。

費爾普斯的能力似乎超越了人體的極限,一些記者質疑他驚人的表現實在是「好到令人難以置信」。然而,費爾普斯在職業生涯中自願參加許多禁藥測試,也都全部通過。

也許他驚人的比賽成就可以用另一個異乎尋常的優勢來清楚地解釋,亦即他非凡的觀想能力。

在訓練期間、或為重大比賽做賽前準備時,他會想像一場完美的比賽。

他在《夢想,沒有極限》(No Limits)的自傳中寫道:「我能看到起點、游泳姿勢、蹬牆、轉身、終點、策略等所有細節。一切的想像,就像我在腦海中規畫了一場比賽,而這種規畫有時似乎讓比賽結果一如我所預期的」。他認為,正是這種能力幫助他成為最偉大的奧運選手,而不是純粹的身體能力。

費爾普斯是擁有最多奧運獎牌的游泳選手。圖/Getty Images

激發想像力、強化運動表現

科學實驗已經證實,觀想的效果是深遠的,對職業運動員和休閒鍛鍊者來說都是如此,最引人注目和驚人的影響在於人的肌肉力量。

在一項研究中,科學家在進行某種形式的心理訓練之前,測量了參與者的前臂力量。這項任務很無趣,但是很簡單:他們必須每天花十五分鐘,每週五天,想像自己在用前臂舉重物,例如一張桌子。

一些人被要求從內在觀想來做這件事,想像自己在舉重的動作;另一些人被要求從外在觀想來做這件事,就像他們從自己身體外面看自己一樣。對照組則完全沒有進行任何練習。

六週後,結果令人驚訝,運用自我內在觀想的人,力量新增了 11%——儘管這組人沒有任何實際的舉重練習。那些運用外在觀想的人顯示大約 5% 微幅的改善(但研究人員無法確定這具有統計顯著性),而對照組實際上似乎稍微弱一些。

與其他改善健康的心理技巧一樣,如果體力完全只是由肌肉質量決定,將會無法解釋這些發現。然而,根據心理生物學新的運動觀點,這一切是很有道理的。

請記住,運動表現取決於大腦對身體能達到的目標和運動強度的預期,然後再藉此規畫肌肉的力量和疲勞程度。

心理意象可以提高身體對自身能力的感知、增強發送給肌肉的訊號,並改善運動協調性。圖/Pexels

心理意象可以讓你有意識地完善這些預測、並提高身體對自身能力的感知、增強發送給肌肉的訊號,並改善運動協調性。

正如諾克斯的研究,即使在運動極度疲勞時,運動員通常也沒有運用到大部分的肌肉纖維,但這些心理意象可能會鼓勵身體召喚更多沒用到的肌肉纖維。

針對運動員對於賽事進行生動觀想的腦部掃描顯示,對身體運動的想像會啟動大腦內部主要的運動皮層和基底神經節的區域,這些區域通常涉及運動的規畫和執行,讓大腦準確地計算出需要刺激哪些肌肉、以及對身體的影響。而這些增強的預期心理將轉化為真正的表現提升。

根據這個理論,內在想像比外在想像更成功,因為能夠更詳細地預測你在運動期間的感受,進而使身體能夠更有效地執行動作。

注意!想像不能讓你變超人,僅僅是運動的輔助工具

當然,心理訓練不能、也不應該取代身體訓練,但卻可以讓運動員充分利用休息時間,以及避免受傷後力量流失。

例如,當人的四肢被打上石膏時,身體肌肉通常會變弱,但俄亥俄大學(Ohio University)的科學家發現,每天幾分鐘的心理練習可以將這些損失降低一半。

對於一般人來說,心理訓練應該只是另一種工具,藉此強化運動的好處。

雖然「想像」可以提升運動表現,但並不代表可以直接取代身體的訓練,也不代表可以讓一般人超出人體的極限!圖/Pixabay

如果你覺得上健身房是一種壓力,想要改變你對運動的心態,那麼定期想像運動的好處可以使你更享受整個過程。如今,針對青少年、中年和老年人參與者的各種研究已證明,每週有規律地練習幾分鐘的運動想像,可提高人的動機、對運動的享受、以及運動表現。

當你親自測試這一點,在想像你的表現時不要好高騖遠。

你不想讓自己失望,這會降低你的動力,或是要小心過度勞累導致受傷(如果沒有持續的體能鍛鍊,身心合一的效果也是有限的)。當你在想像運動時,試著把注意力集中在過程中希望感受到的積極感:例如,充滿活力和興奮的感覺,而不是疲勞或倦怠。

就像費爾普斯一樣,你將會「重新規畫」身心合一,讓自己克服任何可能妨礙表現的心理限制,如此一來,運動就不再是一個無法克服的挑戰。

——本文摘自《心念的力量:運用大腦的期望效應,找到扭轉人生的開關》,2022 年 7 月,商業週刊