Morfologia comparată a piciorului implică compararea formei structurilor distale ale membrelor la o varietate de . Înțelegerea rolului pe care piciorul îl joacă pentru fiecare tip de organism trebuie să țină cont de diferențele de tip corporal, forma piciorului, dispunerea structurilor, condițiile de încărcare și alte variabile. Totuși, există și asemănări între picioarele multor vertebrate terestre diferite. câinelui, copita calului, manus (piciorul anterior) și pes (piciorul posterior) ale elefantului și piciorul omului împărtășesc trăsături comune de structură, organizare și funcție. Structurile picioarelor lor funcționează ca o platformă de transmisie a sarcinii, esențială pentru echilibru, statul în picioare și diverse tipuri de locomoție (cum ar fi mersul, trotul, galopul și alergarea).

Disciplina biomimeticii aplică informațiile obținute prin compararea morfologiei piciorului unei varietăți de vertebrate terestre la probleme de inginerie umană. De exemplu, aceasta poate oferi perspective care fac posibilă modificarea transmisiei sarcinii piciorului la persoanele care poartă o externă din cauza paraliziei cauzate de leziuni ale măduvei spinării, sau care folosesc o proteză în urma amputării unui picior cauzată de diabet. Astfel de cunoștințe pot fi încorporate în tehnologii care îmbunătățesc echilibrul unei persoane; le permit să meargă mai eficient și să facă exerciții fizice, sau le îmbunătățesc calitatea vieții prin sporirea mobilității.

Structură Structura membrelor și a picioarelor la vertebratele terestre reprezentative:

Variabilitatea în scalare și coordonarea membrelor

Există o variație considerabilă în scara și proporțiile corpului și ale membrelor, precum și în natura încărcării în timpul staționării și locomoției, atât în cadrul grupurilor, cât și între și . Distribuția masei corporale antero-posterioare variază considerabil la mamiferele patrupede, ceea ce afectează încărcarea membrelor. Când stau pe loc, multe patrupede terestre își susțin o mai mare parte din greutate pe membrele anterioare decât pe cele posterioare; totuși, distribuția masei corporale și încărcarea membrelor se schimbă atunci când se deplasează. Oamenii au o masă a membrelor inferioare mai mare decât cea a membrelor superioare. Membrele posterioare ale câinelui și calului au o masă ușor mai mare decât cele anterioare, în timp ce elefantul are membre proporțional mai lungi. Membrele anterioare ale elefantului sunt mai lungi decât cele posterioare.

La cal și câine, membrele posterioare joacă un rol important în propulsia primară. Locomoția bipedă a oamenilor distribuie, în general, o încărcare egală pe fiecare membru inferior. Locomoția elefantului (cel mai mare vertebrat terestru) prezintă o distribuție similară a încărcării pe membrele posterioare și anterioare. Alurile de mers și alergare ale patrupedeelor și arată diferențe în faza relativă a mișcărilor membrelor anterioare și posterioare, precum și ale membrelor de pe partea dreaptă față de cele de pe partea stângă. Multe dintre variabilele menționate sunt legate de diferențele în scalarea dimensiunilor corpului și membrelor, precum și de modelele de coordonare și mișcare. Totuși, se cunosc puține lucruri despre contribuția funcțională a piciorului și a structurilor sale în timpul fazei de sprijin. Morfologia comparată a structurii distale a membrului și a piciorului la unele vertebrate terestre reprezentative dezvăluie unele asemănări interesante.

Organizarea coloanară a structurilor membrelor

Deși multe vertebrate terestre prezintă diferențe în scalarea dimensiunilor membrelor, coordonarea acestora și magnitudinea încărcării membrelor anterioare-posterioare, la câine, cal și elefant structura membrului anterior distal este similară cu cea a membrului posterior distal. La om, structurile mâinii sunt în general similare ca formă și dispunere cu cele ale piciorului. Patrupedele și bipedele terestre posedă, în general, structuri de ale membrului distal și ale piciorului care sunt aliniate în serie, stivuite într-o orientare relativ verticală și dispuse într-o manieră cvasi-coloanară în membrul extins. La câine și cal, oasele membrelor proximale sunt orientate vertical, în timp ce structurile distale ale gleznei și piciorului au o orientare angulată. La oameni și elefanți, o orientare verticală a coloanei oaselor în membre și picioare este, de asemenea, evidentă pentru unitățile mușchi-tendon asociate. Piciorul calului conține o unghie externă (copită) orientată pe perimetru în formă de semicerc. Oasele subiacente sunt dispuse într-o orientare semi-verticală. Laba câinelui conține în mod similar oase dispuse într-o orientare semi-verticală.

La om și elefant, orientarea în coloană a complexului piciorului este înlocuită la oameni de o orientare plantigradă, iar la elefanți de o aliniere semi-plantigradă a structurii piciorului membrului posterior cu pernițe adipoase dedesubt. Această diferență de orientare a oaselor și articulațiilor piciorului la oameni și elefanți îi ajută să se adapteze la variațiile terenului.

Pernița distală

Multe vertebrate terestre reprezentative posedă o perniță distală pe suprafața inferioară a piciorului. Laba câinelui conține o serie de pernițe visco-elastice orientate de-a lungul părții mijlocii și distale a piciorului. Calul posedă o perniță digitală centralizată cunoscută sub numele de (frog), care este situată în partea distală a piciorului și înconjurată de copită. Oamenii posedă o perniță adipoasă fibroasă și elastică rezistentă, care este ancorată de piele și os în partea posterioară a piciorului.

Piciorul elefantului posedă ceea ce este probabil una dintre cele mai neobișnuite pernițe distale găsite la vertebrate. Piciorul anterior (manus) și cel posterior (pes) conțin pernițe adipoase uriașe, scalate pentru a face față sarcinilor masive impuse de cel mai mare vertebrat terestru. În plus, o proiecție asemănătoare cartilajului (prepollex la membrul anterior și prehallux la membrul posterior) pare să ancoreze pernița distală de oasele piciorului elefantului.

Pernițele distale ale tuturor acestor organisme (câine, cal, om și elefant) sunt structuri dinamice în timpul locomoției, alternând între faze de compresie și expansiune; s-a sugerat că aceste structuri reduc astfel sarcinile resimțite de sistemul scheletic.

Organizare Dispunerea structurilor piciorului:

Din cauza varietății largi de tipuri corporale, scalare și morfologie a membrelor distale ale vertebratelor terestre, există un anumit grad de controversă cu privire la natura și organizarea structurilor piciorului. O abordare organizațională pentru înțelegerea structurilor piciorului face distincții în ceea ce privește anatomia lor regională. Structurile piciorului sunt împărțite în segmente de la proximal la distal și sunt grupate în funcție de similitudinea de formă, dimensiune și funcție. În această abordare, piciorul poate fi descris în trei segmente: ca partea posterioară (hindfoot), partea mijlocie (midfoot) și partea anterioară (forefoot).

Partea posterioară (hindfoot) este porțiunea cea mai proximală și posterioară a piciorului. Funcțional, structurile conținute în această regiune sunt de obicei robuste, având o dimensiune și o circumferință mai mari decât celelalte structuri ale piciorului. Structurile părții posterioare sunt de obicei adaptate pentru transmiterea sarcinilor mari între aspectele proximale și distale ale membrului atunci când piciorul contactează solul. Acest lucru este evident la piciorul uman și de elefant, unde partea posterioară suferă o încărcare mai mare în timpul contactului inițial în multe forme de locomoție. Structurile posterioare ale câinelui și calului sunt situate relativ mai proximal în comparație cu piciorul elefantului și al omului.

Partea mijlocie (midfoot) este porțiunea intermediară a piciorului între partea posterioară și cea anterioară. Structurile din această regiune sunt intermediare ca mărime și transmit de obicei sarcinile de la partea posterioară la cea anterioară. Articulația tarsiană transversală umană a piciorului mijlociu transmite forțele de la articulația subtalară din partea posterioară către articulațiile părții anterioare (metatarsofalangiene și interfalangiene) și oasele asociate (metatarsiene și falange). Partea mijlocie a câinelui, calului și elefantului conține structuri intermediare similare, având funcții similare cu cele ale părții mijlocii a omului.

Partea anterioară (forefoot) reprezintă porțiunea cea mai distală a piciorului. La om și elefant, structurile osoase conținute în această regiune sunt în general mai lungi și mai înguste. Structurile părții anterioare joacă un rol în furnizarea pârghiei pentru propulsia în faza finală a sprijinului și transferul sarcinii.

Funcție Transmisia sarcinii piciorului la vertebrate terestre reprezentative:

Laba câinelui

Laba câinelui are o orientare . Orientarea coloanară verticală a oaselor proximale ale membrelor, care se articulează cu structurile distale ale piciorului dispuse într-o orientare coloanară cvasi-verticală, este bine aliniată pentru a transmite sarcinile în timpul contactului scheletului cu solul. Orientarea în unghi a alungite și a degetelor extinde aria disponibilă pentru stocarea și eliberarea energiei mecanice în unitățile mușchi-tendon care își au originea proximal față de articulația gleznei și se termină la aspectul distal al oaselor piciorului. Când unitățile mușchi-tendon se lungesc, tensiunea sarcinii facilitează activitatea mecanică. Aceste structuri par bine proiectate pentru a ajuta la transmiterea forțelor de reacție la sol, esențială pentru locomoție. În plus, pernițele labei distale par să permită atenuarea sarcinii, prin îmbunătățirea absorbției șocurilor în timpul contactului labei cu solul.

Piciorul calului

Piciorul calului are o orientare . Orientarea coloanară a oaselor și a țesutului conjunctiv este, în mod similar, bine aliniată pentru a transmite sarcinile în timpul fazei de sprijin a locomoției. Copita semicirculară, groasă și keratinizată, își schimbă forma în timpul încărcării și descărcării. În mod similar, săgeata (frog) amortizată, situată central la capetele posterioare ale copitei, suferă o compresie în timpul încărcării și o expansiune la descărcare. Împreună, structurile copitei și ale săgeții amortizate pot lucra în concert cu capsula copitei pentru a oferi absorbție a șocurilor. Copita calului acționează, de asemenea, dinamic în timpul încărcării, ceea ce poate amortiza endoscheletul de sarcinile mari care altfel ar produce deformări critice.

Piciorul elefantului