Hydrostat musculaire - Muscular hydrostat
Un hydrostat musculaire est une structure biologique trouvée chez les animaux . Il est utilisé pour manipuler des objets (y compris de la nourriture) ou pour déplacer son hôte et se compose principalement de muscles sans support squelettique . Il effectue son mouvement hydraulique sans fluide dans un compartiment séparé, comme dans un squelette hydrostatique .
Un hydrostat musculaire, comme un squelette hydrostatique, repose sur le fait que l' eau est effectivement incompressible aux pressions physiologiques . Contrairement à un squelette hydrostatique, où le muscle entoure une cavité remplie de liquide, un hydrostat musculaire est composé principalement de tissu musculaire. Étant donné que le tissu musculaire lui-même est principalement constitué d'eau et est également effectivement incompressible, des principes similaires s'appliquent.
Anatomie musculaire
Les muscles fournissent la force nécessaire pour déplacer un hydrostat musculaire. Étant donné que les muscles ne sont capables de produire de la force qu'en se contractant et en se raccourcissant, différents groupes de muscles doivent travailler les uns contre les autres, un groupe se relaxant et s'allongeant tandis que l'autre groupe fournit la force en se contractant. Ces groupes musculaires complémentaires sont appelés paires antagonistes .
Les fibres musculaires d'un hydrostat musculaire sont orientées dans trois directions : parallèles au grand axe, perpendiculaires au grand axe et enroulées obliquement autour du grand axe.
Les muscles parallèles au grand axe sont disposés en faisceaux longitudinaux. Plus ceux-ci sont situés en périphérie, plus les mouvements de flexion sont élaborés. Une distribution plus périphérique se trouve dans les langues des mammifères , les bras de poulpe , les tentacules de nautile et les trompes d'éléphant . Les langues qui sont adaptées pour faire saillie ont généralement des fibres longitudinales situées au centre. On les trouve dans les langues de serpent , de nombreuses langues de lézard et les fourmiliers de mammifères .
Les muscles perpendiculaires au grand axe peuvent être disposés selon un schéma transversal, circulaire ou radial. Une disposition transversale implique des nappes de fibres musculaires perpendiculaires au grand axe, alternant généralement entre les orientations horizontale et verticale. Cet arrangement se trouve dans les bras et les tentacules des calmars, des poulpes et dans la plupart des langues des mammifères. Une disposition radiale implique des fibres rayonnant dans toutes les directions à partir du centre de l'organe. Cela se trouve dans les tentacules du nautile chambré et dans la trompe de l'éléphant (tronc). Un arrangement circulaire a des anneaux de fibres contractiles autour du grand axe. On le trouve dans de nombreuses langues de mammifères et de lézards ainsi que dans les tentacules de calmar.
Les fibres hélicoïdales ou obliques autour du grand axe sont généralement présentes en deux couches avec une chiralité opposée et s'enroulent autour du noyau central de la musculature.
Mécanisme de fonctionnement
Dans un hydrostat musculaire, la musculature elle-même crée un mouvement et fournit un soutien squelettique à ce mouvement. Il peut fournir ce support car il est composé principalement d'un « liquide » incompressible et est donc constant en volume. La caractéristique biomécanique la plus importante d'un hydrostat musculaire est son volume constant. Le muscle est composé principalement d'un liquide aqueux qui est essentiellement incompressible à pressions physiologiques. Dans un hydrostat musculaire ou toute autre structure de volume constant, une diminution d'une dimension entraînera une augmentation compensatoire d'au moins une autre dimension. Les mécanismes d'allongement, de flexion et de torsion dans les hydrostats musculaires dépendent tous de la constance du volume à l'effet des changements de forme en l'absence d'attaches squelettiques rigides. Étant donné que les hydrostats musculaires sont sous un volume constant lorsque le diamètre augmente ou diminue, la longueur doit également diminuer ou augmenter, respectivement. Lorsque l'on regarde un cylindre, le volume est : V=πr²l. Lorsque le le rayon est différencié par rapport à la longueur : dr/dl=-r/(2l). De là, si un diamètre diminue de 25%, la longueur sera l augmenter d'environ 80 %, ce qui peut produire une force importante selon ce que l'animal essaie de faire.
Allongement et raccourcissement
L'élongation dans les hydrostats est causée par la contraction d'arrangements musculaires transversaux ou hélicoïdaux. Compte tenu du volume constant des hydrostatiques musculaires, ces contractions provoquent un allongement des muscles longitudinaux. La variation de longueur est proportionnelle au carré de la diminution de diamètre. Par conséquent, les contractions des muscles perpendiculaires au grand axe entraîneront une diminution du diamètre tout en gardant un volume constant allongeront l'organe dans le sens de la longueur. Le raccourcissement, d'autre part, peut être causé par la contraction des muscles parallèlement au grand axe, entraînant une augmentation du diamètre de l'organe ainsi qu'un raccourcissement de la longueur.
Les muscles utilisés dans l'allongement et le raccourcissement maintiennent un soutien grâce au principe de volume constant et à leurs relations antagonistes les uns avec les autres. Ces mécanismes sont souvent observés dans la capture de proies de grenouilles à nez plat et de caméléons , ainsi que dans la langue humaine et de nombreux autres exemples. Chez certaines grenouilles, la langue s'allonge jusqu'à 180 % de sa longueur au repos. Les langues extra-orales présentent des rapports longueur/largeur plus élevés que les langues intra-orales, ce qui permet une augmentation plus importante de la longueur (plus de 100 % de la longueur au repos, par rapport aux langues intra-orales à seulement environ 50 % de l'augmentation de la longueur au repos). De plus grandes longueurs d'allongement compromettent la force produite par l'organe ; à mesure que le rapport longueur/largeur augmente, l'allongement augmente tandis que la force diminue. Il a été démontré que les calmars utilisent également l'élongation musculaire de l'hydrostat pour la capture et l'alimentation des proies.
Pliant
La flexion d'un hydrostat musculaire peut se produire de deux manières, qui nécessitent toutes deux l'utilisation de muscles antagonistes . La contraction unilatérale d'un muscle longitudinal produira peu ou pas de flexion et servira à augmenter le diamètre de l'hydrostat musculaire en raison du principe de volume constant qui doit être respecté. Pour plier la structure hydrostatique, la contraction unilatérale du muscle longitudinal doit s'accompagner d'une activité contractile des muscles transversaux, radiaux ou circulaires pour maintenir un diamètre constant. La flexion d'un hydrostat musculaire peut également se produire par la contraction des muscles transversaux, radiaux ou circulaires qui diminue le diamètre. La flexion est produite par l'activité musculaire longitudinale qui maintient une longueur constante d'un côté de la structure.
La flexion d'un hydrostat musculaire est particulièrement importante dans les langues animales . Ce mouvement fournit le mécanisme par lequel un serpent agite l'air avec sa langue pour sentir son environnement, et il est également responsable de la complexité de la parole humaine .
Raidissement
Le raidissement d'un hydrostat musculaire est accompli par le muscle ou le tissu conjonctif de l'hydrostat résistant aux changements dimensionnels.
Torsion
La torsion est la torsion d'un hydrostat musculaire le long de son axe long et est produite par un arrangement hélicoïdal ou oblique de la musculature qui a une direction variable. Pour une torsion dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, il est nécessaire qu'une hélice droite se contracte. La contraction d'une hélice gauche provoque une torsion dans le sens horaire. La contraction simultanée des deux hélices droite et gauche entraîne une augmentation de la résistance aux forces de torsion. Les réseaux musculaires obliques ou hélicoïdaux dans les hydrostats musculaires sont situés à la périphérie de la structure, enveloppant le noyau interne de la musculature, et cet emplacement périphérique fournit un moment plus important à travers lequel le couple est appliqué qu'un emplacement plus central. L'effet des fibres musculaires disposées en hélice, qui peuvent également contribuer aux changements de longueur d'un hydrostat musculaire, dépend de l'angle des fibres, c'est-à-dire l'angle que les fibres musculaires hélicoïdales font avec le grand axe de la structure.
La longueur de la fibre hélicoïdale est minimale lorsque l'angle de la fibre est égal à 54°44′ et est maximale lorsque l'angle de la fibre approche 0° et 90°. En résumé, cela signifie que les fibres musculaires disposées en hélice avec un angle de fibre supérieur à 54°44′ créeront une force à la fois pour la torsion et l'allongement tandis que les fibres musculaires disposées en hélice avec un angle de fibre inférieur à 54°44′ créeront une force pour la torsion et raccourcissement. L'angle des fibres des couches musculaires obliques ou hélicoïdales doit augmenter lors du raccourcissement et diminuer lors de l'allongement. En plus de créer une force de torsion, les couches musculaires obliques vont donc créer une force d'allongement qui peut aider la musculature transversale à résister à la compression longitudinale.
Exemples
- Corps entiers de nombreux vers
- Pieds de mollusques (y compris les bras et les tentacules de céphalopodes )
- Langues de mammifères et de reptiles
- Troncs d' éléphants
- Le museau du lamantin antillais
Applications technologiques
Un groupe d'ingénieurs et de biologistes a collaboré pour développer des bras robotiques capables de manipuler et de manipuler divers objets de différentes tailles, masses, textures de surface et propriétés mécaniques. Ces bras robotiques présentent de nombreux avantages par rapport aux bras robotiques précédents qui n'étaient pas basés sur des hydrostats musculaires.