Fluid-structure Interactions of Inverted Leaves and Flags

Interactions between fluid flows and elastic bodies are ubiquitous in nature. One such phenomena that is encountered on a daily basis is the flapping and fluttering of leaves in the wind. The fluid-structure interaction that governs the physics of a leaf in the wind is poorly understood at best and has potential applications in biomechanics, vehicle design, and energy conversion. We build upon previous work on the flapping dynamics of inverted flags, which are cantilevered elastic sheets with free leading edge and fixed trailing edge that display unique large amplitude oscillatory behaviors. We model a leaf in the laboratory using modified inverted flags, experimentally probing the governing parameters behind leaf fluttering as well as shedding light on the physics behind the inverted flag phenomena. The behavior of these "inverted leaves" studied here display sensitive dependence on two biomechanically relevant parameters, stem-to-leaf rigidity and stem-to-leaf length. In addition, leaves on a tree are not often found alone. We seek to understand the complex interactions of multiple fluttering and flapping leaves by way of examining the interactions between pairs of inverted flags. Coupling through their flow fields, pairs of inverted flags exhibit striking emergent phenomena. We report these observed dynamical behaviors and the conditions upon which they arise.

Identificação do padrão biomecânico de condutas motoras em escolares: o caso da marcha

A constituição de uma base de dados normativa da marcha é essencial para o diagnóstico e o tratamento de padrões atípicos da locomoção (SUTHERLAND et al., 1997). Não obstante, são escassas as informações relativas aos padrões normais da marcha de crianças (GANLEY e POWERS, 2005), carência ainda mais evidente no tocante à produção acadêmica sobre o padrão biomecânico da locomoção da população de crianças brasileiras. Nesse sentido, especialistas em análise de marcha alertam para o fato que crianças de diferentes populações podem exibir diferentes padrões de marcha de acordo com os grupos étnicos das quais foram extraídas (MORENO-HERNÁNDEZ et al., 2010). Assim sendo, o objetivo do presente estudo foi descrever o padrão biomecânico da marcha de crianças hígidas brasileiras entre 6 e 11 anos de idade. Cento e vinte e duas crianças hígidas, entre seis e 11 anos de idade foram aleatoriamente recrutadas de um universo de 328 alunos. Os sujeitos foram alocados em três grupos etários: Grupo 1 (6-7 anos), Grupo 2 (8-9 anos) e Grupo 3 (10-11 anos). Para o registro das imagens das marchas das crianças foi utilizado um sistema de captura bidimensional de movimento a uma freqüência de aquisição de 30 Hz, composto por uma câmera Sony modelo HC 46 posicionada ortogonalmente a 6 metros da pista. Marcadores esféricos reflexivos de 20mm de diâmetro foram fixados em ambos os lados do corpo dos participantes. Os valores em bruto das coordenadas dos marcadores foram transformadas em coordenadas globais 2D (CALDWELL et al., 2004) e processadas no software SkillSpector (Versão 1.0). A estratégia de Hof (1996) foi utilizada para a normalização dos dados da marcha. Os comprimentos de passo e passada apresentaram uma tendência de aumento com o avanço da idade até 8-9 anos de idade, ao passo que a cadência dos passos apresentou uma tendência de diminuição até o mesmo período. Os números não-dimensionais não apresentaram qualquer tendência de alteração com o avanço da idade. Os três grupos etários apresentaram trajetórias angulares articulares semelhantes. O presente estudo constitui ação pioneira no que tange à descrição do padrão cinemático da marcha de crianças hígidas brasileiras entre 6 e 11 anos de idade. Assim sendo, consideramos que um primeiro passo foi dado no sentido da constituição de uma base de dados normativa da locomoção desses indivíduos.

Spinal circuits can accommodate interaction torques during multijoint limb movements

The dynamic interaction of limb segments during movements that involve multiple joints creates torques in one joint due to motion about another. Evidence shows that such interaction torques are taken into account during the planning or control of movement in humans. Two alternative hypotheses could explain the compensation of these dynamic torques. One involves the use of internal models to centrally compute predicted interaction torques and their explicit compensation through anticipatory adjustment of descending motor commands. The alternative, based on the equilibrium-point hypothesis, claims that descending signals can be simple and related to the desired movement kinematics only, while spinal feedback mechanisms are responsible for the appropriate creation and coordination of dynamic muscle forces. Partial supporting evidence exists in each case. However, until now no model has explicitly shown, in the case of the second hypothesis, whether peripheral feedback is really sufficient on its own for coordinating the motion of several joints while at the same time accommodating intersegmental interaction torques. Here we propose a minimal computational model to examine this question. Using a biomechanics simulation of a two-joint arm controlled by spinal neural circuitry, we show for the first time that it is indeed possible for the neuromusculoskeletal system to transform simple descending control signals into muscle activation patterns that accommodate interaction forces depending on their direction and magnitude. This is achieved without the aid of any central predictive signal. Even though the model makes various simplifications and abstractions compared to the complexities involved in the control of human arm movements, the finding lends plausibility to the hypothesis that some multijoint movements can in principle be controlled even in the absence of internal models of intersegmental dynamics or learned compensatory motor signals.

Efeitos do uso de antiinflamatório e do exercício aeróbico sobre a regeneração tecidual e perfil biomecânico do tendão calcâneo de ratos após ruptura completa

Ruptura do tendão calcâneo é uma das lesões tendíneas mais frequentes. Embora a maioria dos trabalhos sugira que o exercício seja benéfico na cicatrização tendínea, não há consenso sobre o efeito do antiinflamatório neste contexto. Trabalhos experimentais tentam reproduzir lesão aguda deste tendão, em diferentes espécies animais. Neste estudo, descrevemos uma técnica de tenotomia completa do tendão calcâneo direito em ratos e, em seguida, avaliamos os efeitos do uso do antiinflamatório e do exercício aeróbico, isoladamente e em combinação, sobre a proliferação celular e o perfil biomecânico do tendão calcâneo, durante o processo de cicatrização após tenotomia. Estudo experimental com 156 ratos machos adultos, da raça Wistar, com idade média de 3 meses e peso médio de 300g. Após anestesia com tiopental e com auxílio da microscopia de luz, foi realizada incisão longitudinal posterior de cinco milímetros, em direção proximal, a partir da tuberosidade posterior do calcâneo da pata direita do rato. Foi feito corte transversal do tendão calcâneo, a sete milímetros da tuberosidade do calcâneo, com preservação do tendão plantar. Utilizamos as técnicas de Hematoxilina e Eosina, Picrosirius-red e Resorcina-fucsina de Weigert para avaliação da cicatrização tendínea e das fibras dos sistemas colágeno e elástico. Após a tenotomia, metade dos animais receberam tenoxicam intramuscular por 7 dias e no 8o dia iniciou-se protocolo de exercício em esteira na metade de cada grupo. Os ratos foram divididos aleatoriamente em 4 grupos de tratamento: A sem antiinflamatório E sem exercício (controle); B com antiinflamatório E com exercício; C sem antiinflamatório E com exercício; D com antiinflamatório E sem exercício. Os animais foram eutanasiados com 1, 2, 4 e 8 semanas após a tenotomia, para avaliação histológica pelo PCNA, e biomecânica através do teste de resistência à tração e da medida do ciclo locomotor. Foram realizados análise de variância, teste de Kruskal-Wallis e o método de Bonferroni, no programa R Project, versão 2.11.1. O tempo cirúrgico médio foi de 1 minuto e 24 segundos, sem complicações observadas até a 8a semana pós-operatória. Observamos proliferação celular e fibrilogênese com duas semanas, e diminuição da celularidade e das fibras elásticas na 8a semana, além de mudanças na organização estrutural do sistema colágeno. Encontramos pico da imunomarcação com PCNA na 2a semana em todos os grupos, exceto no grupo A, cujo pico aconteceu com 1 semana da tenotomia. Evidenciamos resistência à tração significativamente maior (p=0,02) nos ratos submetidos ao exercício, 8 semanas após ruptura. Nos grupos com antiinflamatório, observamos um ciclo locomotor mais estável durante todo o tempo avaliado. Consideramos a técnica cirúrgica experimental de tenotomia completa do tendão calcâneo, realizada com auxílio da microscopia de luz e preservação do tendão plantar, simples, rápida, com sinais de cicatrização tendínea normal e de fácil reprodução em ratos. O exercício aeróbico, iniciado precocemente após tenotomia completa do tendão calcâneo, é significativamente benéfico na sua recuperação biomecânica e o uso combinado com antiinflamatório confere maior estabilidade na marcha, o que pode proteger contra rerruptura tendínea em ratos

Analysis of the Response Speed of Musculature of the Knee in Professional Male and Female Volleyball Players

The aim of this study was to evaluate the normalized response speed (Vrn) of the knee musculature (flexor and extensor) in high competitive level volleyball players using tensiomyography (TMG) and to analyze the muscular response of the vastus medialis (VM), rectus femoris (RF), vastus lateralis (VL), and biceps femoris (BF) in accordance with the specific position they play in their teams. One hundred and sixty-six players (83 women and 83 men) were evaluated. They belonged to eight teams in the Spanish women's superleague and eight in the Spanish men's superleague. The use of Vrn allows avoiding possible sample imbalances due to anatomical and functional differences and demands. We found differences between Vrn in each of the muscles responsible for extension (VM, RF, and VL) and flexion (BF) regardless of the sex. Normalized response speed differences seem to be larger in setters, liberos and outside players compared to middle blockers and larger in males when compared to females. These results of Vrn might respond to the differences in the physical and technical demands of each specific position, showing an improved balance response of the knee extensor and flexor musculature in male professional volleyball players.

Comparação de parâmetros biomecânicos entre sistemas de captura de movimentos: avaliação do Microsoft Kinect

O objetivo do presente trabalho foi avaliar comparativamente parâmetros biomecânicos (tanto antropométricos, quanto cinemáticos) de dados obtidos a partir do console Microsoft Kinect (2010). A avaliação destes parâmetros foi realizada para validar seu uso para obter informações complementares à Análise Ergonomica do Trabalho (AET) e em outras pesquisas, cujos objetivos envolvem o diagnóstico de uso de produtos ou ambientes de trabalho a partir da análises posturais e interações da população que o utiliza. A pesquisa com este console em particular é justificada uma vez que seu lançamento modificou o cenário da biomecânica, já que se trata de um equipamento acessível e portátil. Porém, sua precisão em relação à outros equipamentos ainda está em aberto, sendo inclusive, objeto de estudo de muitas pesquisas em andamento. Os dados obtidos por meio de sistemas de captura de movimentos tridimensionais permitem a avaliação de produtos, atividades e análises de interações homem-objeto. No campo do Design, é uma importante realização, uma vez que permite que profissionais tenham acesso à ferramenta que, anteriormente, era limitada à nichos especializados. O console foi comparado com o sistema de captura de movimentos inercial MVN Biomech (XSENS TECHNOLOGIES) e com o tradicional registro por meio de vídeo. Para obter dados do console Kinect, um software disponível no mercado foi selecionado a partir de critérios predefinidos para obter dados cinemáticos do console. Dois experimentos laboratoriais foram realizados: o primeiro, teve como objetivo obter dados operacionais dos equipamentos e suas limitações de uso; e o segundo foi realizado de forma a obter dados biomecânicos e compará-los a partir de três parâmetros estáticos e um dinâmico. Os parâmetros estáticos envolveram ângulos articulares e segmentares em posturas selecionadas e dimensões segmentares, onde a proposta foi avaliar dados antropométricos e as características do modelo biomecânico referente à manter os corpos rígidos durante a movimentação. O parâmetro dinâmico foi realizado de forma a obter dados de deslocamento global das articulações em movimentações selecionadas. Para possibilitar esta análise, uma plataforma digital foi desenvolvida, constituindo um campo neutro para o tratamento dos dados. A plataforma mantém os dados originais dos sistemas, permitindo a distinção entre os modelos biomecânicos e a retirada de dados que possam ser comparados. Os experimentos realizados permitiram avaliar a usabilidade do console, fornecendo diretrizes para seu uso. Para avaliar a utilização do console em ambientes reais de trabalho, foram realizados registros preliminares em laboratórios químicos, os quais se mostraram viáveis se as limitações, semelhantes às de sistemas baseados em tecnologia ótica, sejam consideradas. Futuras análises devem ser conduzidas para validar estatisticamente os resultados obtidos. Porém, considerando o objetivo do trabalho, pode-se concluir que o sistema avaliado é uma alternativa confiável no contexto proposto.

Thermally-induced change in the relaxation behavior of skin tissue.

Skin biothermomechanics is highly interdisciplinary, involving bioheat transfer, burn damage, biomechanics, and physiology. Characterization of the thermomechanical behavior of skin tissue is of great importance and can contribute to a variety of medical applications. However, few quantitative studies have been conducted on the thermally-dependent mechanical properties of skin tissue. The aim of the present study is to experimentally examine the thermally-induced change in the relaxation behavior of skin tissue in both hyperthermal and hypothermic ranges. The results show that temperature has great influence on the stress-relaxation behavior of skin tissue under both hyperthermal and hypothermic temperatures; the quantitative relationship that has been found between temperature and the viscoelastic parameter (the elastic fraction or fractional energy dissipation) was temperature dependent, with greatest dissipation at high temperature levels.

A modular planar robotic manipulandum with end-point torque control.

Robotic manipulanda are extensively used in investigation of the motor control of human arm movements. They permit the application of translational forces to the arm based on its state and can be used to probe issues ranging from mechanisms of neural control to biomechanics. However, most current designs are optimized for studying either motor learning or stiffness. Even fewer include end-point torque control which is important for the simulation of objects and the study of tool use. Here we describe a modular, general purpose, two-dimensional planar manipulandum (vBOT) primarily optimized for dynamic learning paradigms. It employs a carbon fibre arm arranged as a parallelogram which is driven by motors via timing pulleys. The design minimizes the intrinsic dynamics of the manipulandum without active compensation. A novel variant of the design (WristBOT) can apply torques at the handle using an add-on cable drive mechanism. In a second variant (StiffBOT) a more rigid arm can be substituted and zero backlash belts can be used, making the StiffBOT more suitable for the study of stiffness. The three variants can be used with custom built display rigs, mounting, and air tables. We investigated the performance of the vBOT and its variants in terms of effective end-point mass, viscosity and stiffness. Finally we present an object manipulation task using the WristBOT. This demonstrates that subjects can perceive the orientation of the principal axis of an object based on haptic feedback arising from its rotational dynamics.

不同生活型植物对机械刺激的反应

机械刺激效应（Effects of mechanical stimulation）是风生态学直接效应的主要表现形式。研究机械刺激对植物的影响，有利于将风的直接与间接效应区别开来，从而精确研究植物对风的反应格局;研究不同生活型植物对机械刺激的反应是植物力学与植物生态学的重要内容，有助于揭示植物对生境的适应机制。 本研究涉及三个实验。第一个实验探讨不同生活型植物对机械刺激和水分互作的响应格局;第二个实验研究匍匐茎草本植物蛇莓对部分机械刺激的反应;最后一个实验揭示不同水分供应条件下，番茄和紫花苜蓿对不同机械刺激频度的响应。在第一个实验中，克隆半灌木羊柴（Hedysarum laeve），一年生草本植物虫实（Corispermum mongolicum），多年生大型禾草沙鞭（Psammochloa villosa）和多年生丛生禾草黑麦草（Lolium perenne）分别接受由两个水平机械刺激（无刺激和刺激60 s d-1）和两个水平水分供应（200 ml d-1和400 ml d-1）组成的处理。在第二个实验中，匍匐茎草本蛇莓（Duchesnea indica）接受4个不同水平的机械刺激：（1）整个克隆不受机械刺激;（2）整个克隆都受机械刺激;（3）除顶端外其余克隆部分受机械刺激;（4）仅克隆顶端受机械刺激，其余部分不受机械刺激。在最后一个实验中，番茄（Lycopersicon esculentum）和紫花苜蓿（Medicago sativa）接受由三个水平机械刺激频度（0，25赫兹和50赫兹）和三个水平水分供应（50ml，150ml和250ml）组成的处理。这些实验主要回答不同生活型植物的生长和（或）机械性状如何响应机械刺激。主要结果如下： （1）在对机械刺激和水分交互效应的实验中，交互效应随物种发生变化。机械刺激和水分的交互效应对羊柴、番茄和紫花苜蓿作用不显著，但对虫实、沙鞭和黑麦草作用显著。 （2）在对机械刺激的研究中，机械刺激对植物的效应有正负之分。如机械刺激降低羊柴和沙鞭的总生物量，表明其是一种胁迫因子。但对于虫实、番茄和紫花苜蓿来说，机械刺激却能不同程度地促进植物的生长。 （3）机械刺激对虫实的机械性状没有显著影响，但对羊柴的机械性状恰好相反。此外，水分对虫实机械性状有显著影响。 （4）不同植物对机械刺激频度的敏感性存在差异。对番茄来而言，50赫兹的机械刺激对其生长具有较强的促进作用;对紫花苜蓿来说，25赫兹的机械刺激对其生长具有较强的促进作用。 （5）蛇莓对局部机械刺激具有显著反应，特别是在顶端进行机械刺激的处理中，整个克隆片段的叶柄长度缩短，根冠比发生改变，将较多的生物量分配到根。 这些结果表明：（1）不同物种对机械刺激和水分互作的反应可能与机械震动方式及物种本身有关;（2）单位植物大小所承受的机械刺激的强度及物种的生长速率是不一样的;（3）不同反应间的相互作用及相互独立可部分解释物种间的效应差异;（4）接触性形态建成的效应不能从一个物种外推到另外一个物种。 以前的研究集中探讨直立茎植物对机械刺激的响应，而对匍匐茎植物的研究极为贫乏。我们对蛇莓部分机械刺激的研究仅仅是一个初步探索。蛇莓的可塑性行为可能是一种适应性策略，因为这类植物常常生长在机械刺激频繁的开阔生境中。上述三个实验仅仅从生长和机械角度探讨了植物的适应性，而要真正揭示植物对多风生境的适应需要对不同物种进行多水平、多层面的研究，以期掌握不同生活型植物对机械刺激响应的一般格局。例如，从激素、细胞、解剖结构等方面探索其内在机制。