多尺度Hill型驱动器相对于运动单位与肌肉力测量综合基准的验证

计算Hill型肌肉模型因其高效性和生理可解释性而被广泛用于模拟肌肉力的产生。然而，这类模型的构建依赖于若干限制性假设，包括存在争议的多尺度简化、简化的兴奋—激活动力学，以及无法刻画慢肌纤维和快肌纤维。此外，现有Hill型模型在生理尺度、肌纤维类型和收缩模式等方面仍缺乏充分的验证。我们通过开发一种具有机制性兴奋—激活动力学的、多尺度、肌纤维类型特异性的Hill型神经肌肉驱动器，并依据全面的实验基准对其进行系统验证，来解决这些局限性。该模型建立在先前提出的一种由运动神经元驱动的驱动器基础之上，后者整合了基于钙动力学的激活动力学。我们进一步改进了兴奋—激活的表述，以增强其生理学基础，同时通过引入依赖于激活和长度的力—速度关系、弹性肌腱、被动弹性元件，以及屈服效应和下垂效应的肌纤维类型特异性影响，扩展了收缩动力学。验证工作基于四组基准数据集开展，这些数据涵盖了运动单位和整块肌肉两个尺度，包括等长和动态条件下的慢肌纤维与快肌纤维。实验力曲线取自大鼠和猫的六块肌肉，覆盖广泛的刺激频率、肌肉长度和施加的长度变化条件，数据来源结合了既有文献数据集与专门为本研究开展的实验。总体而言，该模型能够重现所有基准条件下的肌力，平均绝对误差通常低于最大等长肌力的15%，尽管在某些特定的次最大激活和动态试验中观察到了较大的误差。基于生理机制的兴奋—激活动力学，以及屈服效应和下垂效应的引入，提高了模型在次最大激活条件下的表现。本研究首次对单一多尺度Hill型神经肌肉驱动器相对于全面的实验运动单位和肌肉力数据进行了系统验证，为未来模型的开发与评估提供了基准框架。

多尺度 Hill 型执行器相对于运动单位与肌肉力测量综合基准的验证 | bioRxiv

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基于运动单位与肌肉力测量综合基准的多尺度 Hill 型执行器验证

Andrea Sgarzi，Arnault Hubert Caillet，Matthew Millard，Sven Weidner，Nicos Haralabidis，Théo Meranger，Bart Bolsterlee，Dario Farina，Nigel H. Lovell，Luca Modenese

doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.15.732276

通讯作者： l.modenese{at}unsw.edu.au

摘要

计算性 Hill 型肌肉模型因其高效性和生理可解释性而被广泛用于模拟肌肉力的产生。然而，这类模型的构建依赖于若干限制性假设，包括存在争议的多尺度简化、简化的兴奋—激活动力学，以及无法表征慢肌纤维和快肌纤维。此外，现有 Hill 型模型在不同生理尺度、纤维类型和收缩模式下仍缺乏充分验证。针对这些局限性，我们开发了一种多尺度、纤维类型特异性的 Hill 型神经肌肉执行器，具备机制性的兴奋—激活动力学，并依据全面的实验基准对其进行了系统验证。该模型建立在先前提出的由运动神经元驱动的执行器基础之上，后者纳入了基于钙动力学的激活动力学。我们进一步改进了兴奋—激活公式以增强其生理学基础，同时通过引入依赖于激活和长度的力—速度关系、弹性肌腱、被动弹性元件，以及纤维类型特异性的屈服效应与下垂效应，对收缩动力学进行了扩展。验证采用了四组基准数据集，覆盖运动单位尺度和整体肌肉尺度，包括等长和动态条件下的慢肌纤维与快肌纤维。实验力曲线来自大鼠和猫的六块肌肉，涵盖广泛的刺激频率、肌肉长度和施加的长度变化，并结合了既有文献数据集与专门为持有人为作者/资助方，其已授予 bioRxiv 永久展示该预印本的许可。 本文依据 CC-BY 4.0 国际许可协议公开提供。

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发表于 2026 年 6 月 18 日。

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Andrea Sgarzi，Arnault Hubert Caillet，Matthew Millard，Sven Weidner，Nicos Haralabidis，Théo Meranger，Bart Bolsterlee，Dario Farina，Nigel H. Lovell，Luca Modenese

bioRxiv 2026.06.15.732276； doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.15.732276

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基于运动单位与肌肉力测量综合基准的多尺度 Hill 型执行器验证

Andrea Sgarzi，Arnault Hubert Caillet，Matthew Millard，Sven Weidner，Nicos Haralabidis，Théo Meranger，Bart Bolsterlee，Dario Farina，Nigel H. Lovell，Luca Modenese

bioRxiv 2026.06.15.732276； doi： https://doi.org/10.64898/2026.06.15.732276

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.06.15.732276v1?rss=1

🏷️ Hill型肌肉模型 神经肌肉驱动 兴奋-激活动力学 运动单位 肌肉力验证 多尺度建模