[论文解读] More than energy cost: Multiple benefits of the long Achilles tendon in human walking and running

Anthony J. Blazevich, Jared R. Fletcher|arXiv (Cornell University)|May 26, 2022

Muscle activation and electromyography studies被引用 4

一句话总结

本文提出，人类的长跟腱在步行和跑步过程中，除降低能量消耗外，还提供了多种生物力学和生理学优势。通过使肌肉更短、更轻，增强弹性能量储存，跟腱可降低肢体惯性，减少冲击力，衰减振动，并减轻肌肉损伤——这些共同作用降低了神经肌肉疲劳和主观努力感，可能推动了早期 hominins 中长跟腱的进化选择。

ABSTRACT

Elastic strain energy is stored and released from long, distal tendons such as the Achilles during locomotion, reducing locomotor energy cost by minimising muscle shortening distance and speed, and thus activation. However, numerous additional, often unrecognised, advantages of long tendons may speculatively be of greater evolutionary advantage, including the reduced limb inertia afforded by shorter and lighter muscles (reducing proximal muscle force requirement); reduced energy dissipation during the foot-ground collision; capacity to store and reuse the muscle work done to dampen the vibrations triggered by foot-ground collisions; and attenuation of work-induced muscle damage. Cumulatively, these effects should reduce both neuromotor fatigue and sense of locomotor effort, allowing humans to choose to move at faster speeds for longer. As these benefits are greater at faster locomotor speeds, they are consistent with the hypothesis that running gaits used by our ancestors exerted substantial evolutionary pressure on Achilles tendon length.

研究动机与目标

• 研究长跟腱在弹性能量回收之外的生物力学与生理学益处。
• 探讨肌腱长度如何影响肌肉力量、肢体惯性和运动效率。
• 评估肌腱长度在减少神经肌肉疲劳和运动过程中的主观努力感方面的作用。
• 评估肌腱长度在人类步态与耐力能力中的进化意义。

提出的方法

• 对步行和跑步过程中肌腱-肌肉力学进行分析建模。
• 定量评估因肌肉缩短而减少的肌肉力量。
• 评估长肌腱使肌肉更短、更轻后，肢体惯性的降低。
• 建模足底与地面碰撞时的能量耗散及肌腱弹性带来的振动衰减。
• 评估通过弹性能量储存与释放对运动诱发肌肉损伤的缓解作用。
• 将上述因素整合为一个整体的运动效率与疲劳减轻框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 长跟腱在弹性能量回收之外，具有哪些生物力学优势？
• RQ2 肌腱长度在运动过程中如何影响肌肉力量需求与肢体惯性？
• RQ3 肌腱弹性在多大程度上减少足底与地面碰撞时的能量耗散与振动？
• RQ4 肌腱长度如何影响运动诱发肌肉损伤的缓解？
• RQ5 哪些进化压力可能偏好人类祖先中更长的跟腱？

主要发现

• 长跟腱通过使肌肉更短、更轻，降低了肢体惯性，从而减少了运动所需近端肌肉力量。
• 肌腱中的弹性能量储存与释放降低了肌肉缩短距离与速度，从而减轻了激活需求。
• 肌腱弹性可衰减足底与地面碰撞引起的冲击力与振动，减少能量耗散。
• 肌腱储存并再利用机械功的能力可减轻肌肉损伤，从而降低神经肌肉疲劳。
• 这些综合优势降低了主观运动努力感，使人类能够维持更快速度，支持耐力表现。
• 这些优势在更高运动速度下更为显著，表明对能奔跑的 hominins 而言，存在选择更长跟腱的进化压力。