Characterization and modeling of frog gastrocnemius muscles under electrical stimulation

Abstract

Aktüatörlerin geliştirilmesi günümüzde popüler bir araştırma konusu olduğundan, daha verimli, hafif ve küçük aktüatörler için büyük bir talep vardır. Mevcut tez bir TÜBİTAK araştırma projesinin bir parçasıdır ve canlı kası aktüatör olarak kullanan bir araç kullanılmaktadır. Tezin amacı kurbağa gastroknemius kaslarının mekanik performansını karakterize etmek ve ölçmektir. Kasların kasılma özellikleri, daha önce başka bir lisansüstü öğrencisi tarafından Yeditepe Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümünde geliştirilen çok amaçlı bir test sistemi ile testler yapılarak araştırılmıştır. Var olan deneysel düzenek, kasların elektriksel stimülasyonu işleminde kullanılmıştır. İzole edilmiş kasların kasılma tepkileri in vitro olarak farklı kas uzunluklarında farklı voltajlar, frekanslar ve darbe genişlikleri için ölçülmüştür. Tetanik ve yorulma deneyleri, istatistiksel olarak yeterli sayıda kas üzerinde gerçekleştirilmiştir. Kasın tek bir sinyale verdiği tepki mevcut bir matematiksel model geliştirtirilerek temsil edilmiştir. Literatürde bulunmayan bir yorulma modeli geliştirilmiştir. Matematiksel modeller deney sonuçlarıyla uyumludur.

Actuator development is a popular research topic due to big demand for more efficient, light and small actuators. Present thesis is part of a TÜBİTAK research project to develop a vehicle that uses a live muscle as an actuator. The thesis aims to characterize and measure mechanical performance of frog gastrocnemius muscles. The contractile properties of muscles are tested by means of a test system developed previously by another graduate student in the Mechanical Engineering Department of Yeditepe University. The existing experimental setup is used for in vitro electrical stimulation of muscles. Twitch response of isolated muscles is measured in vitro at different muscle lengths for different voltages, frequencies and pulse widths. Tetanic and fatigue experiments are carried out on a statistically adequate number of muscles. An existing phenomenological mathematical model for twitch response is improved and a fatigue model is developed. Mathematical models are fitted to experimental results. Frogs used in the experiments are purchased from frog farms and used in accordance with animal ethic rules approved by the Ethics Committee of the University.