Giới hạn không ngờ của sự khéo léo

“Ấn ngón tay của bạn thật mạnh xuống bề mặt. Bây giờ ấn mạnh hết sức bạn có thể nhưng di chuyển ngón tay từ từ theo tiếng tíc tắc của đồng hồ. Giờ di chyển nhanh hơn. Nhanh hơn nữa”.

Đó chính là những mệnh lệnh cho những người tình nguyện trong một thí nghiệm đơn giản. Thí nghiệm phản bác những ý tưởng trước đây về cơ chế kiểm soát cơ tay. Hiểu biết hoàn chỉnh về kết quả thu được có thể giúp giải thích tại sao sự khéo léo giảm dần theo tuổi tác và bệnh tật, và thậm chí giúp thiết kế những cánh tay robot linh hoạt hơn.

Nhóm nghiên cứu dưới sự chỉ đạo của Francisco Valero-Cuevas thuộc Đại học Nam California báo cáo về kết quả “ngược đời” này trên tạp chí Journal of Neuroscience, “Chúng tôi đã trông đợi rằng lực chủ động hướng xuống tối đa sẽ tỷ lệ với tốc độ di chuyển…Thật đáng ngạc nhiên, lực tối đa hoàn toàn độc lập với tốc độ di chuyển”.

Quan sát này thách thức những lý thuyết có từ 70 năm trước về tác động của thuộc tính của cơ đối với chức năng hàng ngày của nó, và sự “dư thừa” của cơ thể chúng ta.

Theo Valero-Cuevas, người hiện làm việc tại khoa kỹ thuật y sinh thuộc Trường kỹ thuật Viterbi USC và Đơn vị liệu pháp vật lý và sinh động học, trong nhiều hoạt động lực cơ bị ảnh hưởng bởi thuộc tính sinh lý học “lực-tốc độ” làm yếu cơ khi chúng di chuyển nhanh hơn.

Ông giải thích: “Đó là lý do tại sao xe đạp của bạn có số, và tại sao khi còn nhỏ bạn không thể tăng tốc nhanh trên mặt đất”.

Valero-Cuevas và các cộng tác viên thực hiện một thí nghiệm đơn giản để mô tả làm thế nào tốc độ của ngón tay làm thay đổi lực tạo ra trong một vận động thông thường tương tự như việc chà xát một bề mặt, sử dụng một miếng đệm theo dõi máy tính. Những người tình nguyện đeo một bao Teflon vừa sát vào ngón trỏ ấn mạnh đầu ngón tay xuống một bề mặt Teflon trơn kết nối với một cảm biến đo lực.

Đầu tiên, những người tình nguyện chỉ đơn giản ấn mạnh hết sức có thể mà không chuyển động ngón tay. Sau đó, trong khi vẫn ấn mạnh hết sức ngón tay của mình họ di chuyển ngón tay trên bề mặt theo một máy nhịp.

Các nhà nghiên cứu viết: “Giống như mong đợi, lực hướng xuống tối đa giảm khi chuyển động được thêm vào. Tuy nhiên rất đáng ngạc nhiên rằng không hề có khác biệt đáng kể giữa tốc độ chuyển động nhanh và chậm, kể cả khi tốc độ chuyển động lệch nhau đến 36 lần”.

Các tình nguyện viên đeo một bao Teflon vừa sát với ngón tay trỏ và ấn đầu ngón tay lên một bề mặt Teflon trơn được kết nối với một cảm biến đo lực. (Ảnh: Đại học Nam California)

Bài báo “Lực chủ động tối đa của đầu ngón tay không bị giới hạn bởi tốc độ chuyển động trong thí nghiệm kết hợp lực và chuyển động” đã thu hút nhiều tranh luận và loại bỏ một số giải thích có thể cho kết quả, bao gồm sự khác biệt về mức độ khéo léo, phản ứng phi tuyến của cơ, và tính không đối xứng của cơ ngón tay.

Giải thích mà Valero-Cuevas và các cộng tác viên Kevin G. Keenan thuộc Đại học Wisconsin/Milwaukee, Veronica J. Santos thuộc Đại học bang Arizona, và Madhusudhan Venkadesan thuộc Đại học Havard, đề xuất là hệ thống các mệnh lệnh mà não gửi đến cơ bị giới hạn bởi bản chất cơ học của thí nghiệm, kể cả những thí nghiệm vận động thông thường.

Điều này có nghĩa rằng kể cả đối với những vận động rất đơn giản mà chúng ta phải kiểm soát cả lực và chuyển động, hệ thống thần kinh vận động có thể bị đẩy tới giới hạn hoạt động của nó.

Kết quả này bổ sung cho những nghiên cứu gần dây của Valero-Cuevas cho thấy những hoạt động thông thường như gõ nhẹ lên một bề mặt có thể là một thác thức lớn đối với hệ thần kinh.

Những kết quả này là bước khởi đầu trong việc nhận biết áp lực cơ học có thể dẫn đến sự tiến hóa về mặt chuyên môn hóa của não và cơ thể khiến tay của chúng ta trở nên khéo léo.

Valero-Cuevas cho biết: “Những kết quả này có ý nghĩa rất quan trọng đối với con người và rôbôt. Đầu tiên, chúng kết hợp nghiên cứu cơ bản và thực tế y học qua việc giải thích tại sao sự khéo léo rất dễ bị tổn thương bởi tuổi tác và bệnh tật bất chấp rất nhiều cơ và khớp mà chúng ta có”.

“Thêm vào đó, chúng cho thấy việc thêm các động cơ thừa vào rôbôt có thể là chìa khóa khiến chúng khéo léo hơn”.

Sự tương tác cụ thể giữa cơ và các cấu trúc cơ thể rất phức tạp và vượt quá những mô hình toán học tại thời điểm hiện tại nhưng nghiên cứu sâu và rộng hơn có thể sẽ đưa ra các đầu mối cần thiết.

Nghiên cứu do NSF và NIH tài trợ.