<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Neurorobot.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Neurorobotics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Neurorobot.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">1662-5218</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Research Foundation</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fnbot.2011.00005</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Neuroscience</subject>
<subj-group>
<subject>Methods Article</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Muscle Co-Contraction Modulates Damping and Joint Stability in a Three-Link Biomechanical Limb</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Heitmann</surname> <given-names>Stewart</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="author-notes" rid="fn001">&#x0002A;</xref>
<!-- http://www.frontiersin.org/Community/WhosWhoDetails.aspx?UID=17357&d=0&sname=StewartHeitmann&name=all people -->
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Ferns</surname> <given-names>Norm</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Breakspear</surname> <given-names>Michael</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff4"><sup>4</sup></xref>
<!-- http://www.frontiersin.org/Community/WhosWhoDetails.aspx?UID=5156&d=1&sname=MichaelBreakspear&name=Science -->
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Systems Neuroscience Group, School of Psychiatry, University of New South Wales</institution> <country>Sydney, NSW, Australia</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>The Black Dog Institute, Prince of Wales Hospital</institution> <country>Sydney, NSW, Australia</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Queensland Institute of Medical Research</institution> <country>Brisbane, QLD, Australia</country></aff>
<aff id="aff4"><sup>4</sup><institution>Royal Brisbane and Women&#x02019;s Hospital</institution> <country>Brisbane, QLD, Australia</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Frederic Kaplan, Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, Switzerland</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Luc Berthouze, University of Sussex, UK; Juan Pablo Carbajal, University of Z&#x000FC;rich, Switzerland</p></fn>
<fn fn-type="corresp" id="fn001"><p>&#x0002A;Correspondence: Stewart Heitmann, The Black Dog Institute, Prince of Wales Hospital, Randwick, Sydney, NSW 2031, Australia e-mail: <email>s.heitmann&#x00040;unsw.edu.au</email></p></fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>11</day>
<month>01</month>
<year>2012</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2011</year>
</pub-date>
<volume>5</volume>
<elocation-id>5</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>08</day>
<month>08</month>
<year>2011</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>25</day>
<month>12</month>
<year>2011</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2012 Heitmann, Ferns and Breakspear.</copyright-statement>
<copyright-year>2012</copyright-year>
<license license-type="open-access" xlink:href="http://www.frontiersin.org/licenseagreement"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the <uri xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/">Creative Commons Attribution Non Commercial License</uri>, which permits non-commercial use, distribution, and reproduction in other forums, provided the original authors and source are credited.</p></license>
</permissions>
<abstract>
<p>Computational models of neuromotor control require forward models of limb movement that can replicate the natural relationships between muscle activation and joint dynamics without the burdens of excessive anatomical detail. We present a model of a three-link biomechanical limb that emphasizes the dynamics of limb movement within a simplified two-dimensional framework. Muscle co-contraction effects were incorporated into the model by flanking each joint with a pair of antagonist muscles that may be activated independently. Muscle co-contraction is known to alter the damping and stiffness of limb joints without altering net joint torque. Idealized muscle actuators were implemented using the Voigt muscle model which incorporates the parallel elasticity of muscle and tendon but omits series elasticity. The natural force-length-velocity relationships of contractile muscle tissue were incorporated into the actuators using ideal mathematical forms. Numerical stability analysis confirmed that co-contraction of these simplified actuators increased damping in the biomechanical limb consistent with observations of human motor control. Dynamic changes in joint stiffness were excluded by the omission of series elasticity. The analysis also revealed the unexpected finding that distinct stable (bistable) equilibrium positions can co-exist under identical levels of muscle co-contraction. We map the conditions under which bistability arises and prove analytically that monostability (equifinality) is guaranteed when the antagonist muscles are identical. Lastly we verify these analytic findings in the full biomechanical limb model.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>Newton-Euler method</kwd>
<kwd>Voigt muscle</kwd>
<kwd>co-contraction</kwd>
<kwd>muscle damping</kwd>
<kwd>joint stability</kwd>
<kwd>equifinality</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="8"/>
<table-count count="3"/>
<equation-count count="35"/>
<ref-count count="39"/>
<page-count count="14"/>
<word-count count="10860"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="introduction">
<title>Introduction</title>
<p>Forward models of musculoskeletal dynamics replicate the natural relationship between muscle contraction and limb movement. Forward models are necessary for numerical optimization of motor control strategies (Todorov, <xref ref-type="bibr" rid="B29">2004</xref>) and for exercising theoretical models of neuromotor control (e.g., Conforto et al., <xref ref-type="bibr" rid="B6">2009</xref>; Harischandra et al., <xref ref-type="bibr" rid="B16">2010</xref>). At least one commercial package (LifeMOD<xref ref-type="fn" rid="fn1"><sup>1</sup></xref>) is currently available for constructing anatomically precise forward models of specific body parts and such models are routinely applied to the inverse problem of estimating isolated muscle and joint forces from observed limb movements (Erdemir et al., <xref ref-type="bibr" rid="B9">2007</xref>). However this level of anatomical detail is excessive when exploring basic theoretical principles of neuromotor control. In such cases the dynamical character of limb movement is of primary importance and the use of simplified anatomical models is justified. We present a planar model of an idealized biomechanical limb (Figure <xref ref-type="fig" rid="F1">1</xref>) that evokes naturalistic limb movements in response to muscle contractions and co-contractions yet remains amenable to customization by individual researchers<xref ref-type="fn" rid="fn2"><sup>2</sup></xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p><bold>Schematic of the simulated biomechanical limb where each joint is flanked by an opposing pair of muscle actuators (arrows)</bold>. Each limb segment was modeled as a long, thin, rigid body of length <italic>L<sub>i</sub></italic> and mass <italic>m<sub>i</sub></italic>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-05-00005-g001.tif"/>
</fig>
<p>Co-contraction (the simultaneous contraction of antagonist muscles) is known to stabilize limb movements (Milner and Cloutier, <xref ref-type="bibr" rid="B21">1995</xref>; Milner, <xref ref-type="bibr" rid="B20">2002</xref>; Zakotnik et al., <xref ref-type="bibr" rid="B38">2006</xref>; Lametti et al., <xref ref-type="bibr" rid="B19">2007</xref>) and is regarded as a distinct component of the motor command in many theoretical models of motor control (Feldman and Levin, <xref ref-type="bibr" rid="B12">1995</xref>; Bhushan and Shadmehr, <xref ref-type="bibr" rid="B2">1999</xref>; Gribble and Ostry, <xref ref-type="bibr" rid="B14">1999</xref>; Todorov, <xref ref-type="bibr" rid="B28">2000</xref>; Gribble, <xref ref-type="bibr" rid="B13">2003</xref>; Neilson and Neilson, <xref ref-type="bibr" rid="B22">2005</xref>). However traditional planar limb models typically lump opposing muscles into unitary joint actuators that do not accommodate co-contraction. The present model overcomes this limitation by actuating each joint with an antagonistic pair of muscle actuators that may be activated independently.</p>
<p>Co-contraction alters the biomechanical operating ranges of muscle and tendon by increasing both muscle damping (viscosity) and musculotendon stiffness (elasticity). Winters and Stark (<xref ref-type="bibr" rid="B32">1985</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">1988</xref>) show that dynamic limb impedance (resistance to perturbation) is accurately predicted by an eighth-order model of antagonist Hill-based muscles. Such models (after Hill, <xref ref-type="bibr" rid="B17">1938</xref>) include a series elastic (SE) element that represents the passive elasticity of muscle tissue and tendon (see Winters and Stark, <xref ref-type="bibr" rid="B33">1987</xref>; Zajac and Winters, <xref ref-type="bibr" rid="B36">1990</xref>; Pandy, <xref ref-type="bibr" rid="B24">2001</xref>; Winter, <xref ref-type="bibr" rid="B31">2005</xref>; Erdemir et al., <xref ref-type="bibr" rid="B9">2007</xref>, for reviews). In these models the series elastic stiffness increases (becomes less compliant) non-linearly with stretch which results in increased joint stiffness under co-contraction (Winters et al., <xref ref-type="bibr" rid="B35">1988</xref>).</p>
<p>Despite this, musculotendon series elasticity is typically an order of magnitude stiffer than contractile muscle tissue and we treat it as negligible in the present model. This simplification permits insights into the dynamics through a formal stability analysis, although it comes at the loss of co-contraction mediated changes in musculotendon stiffness. Nonetheless, the model retains sufficient kinematic realism to make it a useful platform for exercising neuromotor models of low to moderate speed movements where series elasticity has little impact.</p>
<p>In the present paper we derive the full biomechanical limb model followed by a numerical stability analysis of an isolated pair of antagonistic muscles using the method of numerical continuation. The stability analysis reveals the dynamic character of opponent muscles and illuminates the effects of co-contraction from a dynamical systems viewpoint. In particular, it reveals that strongly co-contracting muscles can exhibit multiple distinct stable (multistable) equilibrium positions depending on the biomechanical properties of the muscles involved. In biomechanical parlance, monostability satisfies <italic>equifinality</italic> whereby a limb always returns to same equilibrium position following a perturbation (Bizzi et al., <xref ref-type="bibr" rid="B3">1978</xref>; Kelso and Holt, <xref ref-type="bibr" rid="B18">1980</xref>; Schmidt et al., <xref ref-type="bibr" rid="B25">1986</xref>; Feldman and Latash, <xref ref-type="bibr" rid="B11">2005</xref>). We analytically derive the nullclines of the opponent muscle system and formally prove that monostability is guaranteed for the special case of opponent muscles with identical properties. Two numerical experiments are presented which validate these findings in the full biomechanical limb. Experiment 1 demonstrates the effects of co-contraction on limb damping and Experiment 2 demonstrates the emergence of multiple equilibrium postures with strong co-contraction.</p>
</sec>
<sec sec-type="materials|methods">
<title>Methods</title>
<p>Skeletal and musculotendon kinematics were modeled as a series of independent transforms following Zajac (<xref ref-type="bibr" rid="B37">1989</xref>) and Pandy (<xref ref-type="bibr" rid="B24">2001</xref>). The forward dynamics were implemented using the Newton-Euler method following Otten (<xref ref-type="bibr" rid="B23">2003</xref>). The muscle dynamics were implemented using the Voigt muscle model (Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>A) where the force-length and force-velocity properties of muscle tissue were approximated by simple mathematical forms (Figures <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>B,C) that captured the general shape of curves reported in the physiological literature.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p><bold>(A)</bold> Voigt model of muscle elasticity. Contractile element (CE) represents the lumped contraction forces of the muscle sarcomeres. Parallel elastic element (PE) represents the lumped elastic forces of muscle tissue. Series elasticity of muscle and tendon is assumed to be negligible and muscle length is considered a linear function of joint angle. <bold>(B)</bold> Force-length relationships for CE (blue line) with &#x003B8;<italic><sub>min</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;60&#x000B0;, &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;180&#x000B0;, &#x003B8;<italic><sub>max</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;300&#x000B0;, <italic>k<sub>l</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;(&#x003B8;<italic><sub>max</sub></italic>&#x02009;&#x02212;&#x02009;&#x003B8;<sub>0</sub>)<sup>2</sup>/ln(0.1), and PE (green line) with <italic>k<sub>pe</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.1. Vertical axis is normalized with respect to <italic>F<sub>max</sub></italic>. <bold>(C)</bold> Force-velocity relationship for CE with <italic>k<sub>v</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1. Maximal muscle force asymptotes at 1.313 <italic>F<sub>max</sub></italic>.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-05-00005-g002.tif"/>
</fig>
<p>Contemporary models of forward dynamics are usually derived from the Lagrangian formulation of the overall energy in the system implemented using kinematic chains of rigid links (see Craig, <xref ref-type="bibr" rid="B7">1989</xref>; Spong et al., <xref ref-type="bibr" rid="B26">2006</xref>). However the equations of motion are typically non-trivial and are often derived using a symbolic algebra solver in practice (see Westervelt et al., <xref ref-type="bibr" rid="B30">2007</xref>, for a modern tutorial on this approach). The Newton-Euler method, on the other hand, is the more straightforward approach for modeling small systems such as ours (Otten, <xref ref-type="bibr" rid="B23">2003</xref>). Although it does suffer from the problem of numerical drift whereby rounding errors accumulate over time resulting in a slow dislocation of the limb joints. We therefore extended the method to incorporate spring-like binding forces within the limb joints to constrain numerical drift and maintain the geometric integrity of the limb over the long term (see Appendix <xref ref-type="app" rid="A2">B</xref>). It should be noted that contemporary methods using kinematic chains do not suffer from numerical drift so our solution does not apply to those methods.</p>
<sec>
<title>Forward dynamics of skeletal mechanics</title>
<p>Each limb segment was modeled as a long thin rigid body of mass <italic>m<sub>i</sub></italic> and length <italic>L<sub>i</sub></italic> where the subscript (<italic>i</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1, 2, 3) identifies the individual segments. The motion of the center of mass of each body was described by position <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> angular orientation &#x003B8;<italic><sub>i</sub></italic>, translational velocity <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and angular velocity &#x003C9;<italic><sub>i</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>d</italic>&#x003B8;<italic><sub>i</sub></italic>/<italic>dt</italic>.</p>
<p>The motions of all bodies were solved simultaneously according to the Newton-Euler method where Newton&#x02019;s law,</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M122"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>governed the translational acceleration <inline-formula><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of each limb segment (treated as a point mass) in response to internal joint forces <inline-formula><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, gravitational force <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and an external damping force <inline-formula><mml:math id="M7"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Likewise Euler&#x02019;s law,</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M123"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>governed the angular acceleration &#x003B1;<italic><sub>i</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>d</italic>&#x003C9;<italic><sub>i</sub></italic>/<italic>dt</italic> of each limb segment (treated as a rigid body with moment of inertia <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) in response to internal wrenching torques &#x003C4;<italic><sub>Pi</sub></italic> and &#x003C4;<italic><sub>Qi</sub></italic> as well as an external torque &#x003C4;<italic><sub>Ei</sub></italic> and a damping torque &#x003C4;<italic><sub>Di</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;<italic>k</italic><sub>&#x003C4;</sub>&#x003C9;<italic><sub>i</sub></italic>.</p>
<p>Equations <xref ref-type="disp-formula" rid="E1">(1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="E2">(2)</xref> were rearranged as a set of first-order ordinary differential equations and integrated numerically in M<sc>atlab</sc>. Full details of the forward model are provided in Appendix A. Our extensions to the conventional method are presented in Appendix B. All parameters of the forward model are listed in Table <xref ref-type="table" rid="T1">1</xref>.</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p><bold>Description of all parameters related to the forward dynamics</bold>.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th align="left">Parameter</th>
<th align="left">Description</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left"><italic>L<sub>i</sub></italic></td>
<td align="left">Length of <italic>i</italic>th limb segment (m)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>m<sub>i</sub></italic></td>
<td align="left">Mass of <italic>i</italic>th limb segment (kg)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M9"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Moment of inertia (kg&#x02009;m<sup>2</sup>)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M10"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Position of <italic>i</italic>th segment (m)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M11"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Velocity (m&#x02009;s<sup>&#x02212;1</sup>)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M12"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Acceleration (m&#x02009;s<sup>&#x02212;2</sup>)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x003B8;<italic><sub>i</sub></italic></td>
<td align="left">Orientation of <italic>i</italic>th segment (rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x003C9;<italic><sub>i</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>d</italic>&#x003B8;<italic><sub>i</sub></italic>/<italic>dt</italic></td>
<td align="left">Angular velocity (rad&#x02009;s<sup>&#x02212;1</sup>)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x003B1;<italic><sub>i</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>d</italic>&#x003C9;<italic><sub>i</sub></italic>/<italic>dt</italic></td>
<td align="left">Angular acceleration (rad&#x02009;s<sup>&#x02212;2</sup>)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Radial arm of <italic>i</italic>th segment (m)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>r<sub>ix</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>L<sub>i</sub></italic> cos(&#x003B8;<italic><sub>i</sub></italic>)/2</td>
<td align="left">Radial arm x-component (m)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>r<sub>iy</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>L<sub>i</sub></italic> sin(&#x003B8;<italic><sub>i</sub></italic>)/2</td>
<td align="left">Radial arm y-component (m)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x00278;<italic><sub>ia</sub></italic>, &#x00278;<italic><sub>ib</sub></italic>, &#x00278;<italic><sub>ic</sub></italic>, &#x00278;<italic><sub>id</sub></italic></td>
<td align="left">Angles of muscle insertions (rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>mom<sub>ia</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>L<sub>i</sub></italic> sin (&#x00278;<italic><sub>ia</sub></italic>)/2</td>
<td align="left">Moment arm of muscle <italic>a</italic> (m)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M14"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Joint force at proximal tip (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M15"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Joint force at distal tip (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M16"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Translational damping force (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M17"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Gravitational force (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Joint-spring force (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x003C4;<italic><sub>Pi</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>F<sub>Pi</sub></italic> <italic>mom<sub>i</sub></italic></td>
<td align="left">Proximal joint torque (N&#x02009;rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x003C4;<italic><sub>Qi</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;<italic>F<sub>Qi</sub></italic> <italic>mom<sub>i</sub></italic></td>
<td align="left">Distal joint torque (N&#x02009;rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x003C4;<italic><sub>Ei</sub></italic></td>
<td align="left">External torque (N&#x02009;rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">&#x003C4;<italic><sub>Di</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;<italic>k</italic><sub>&#x003C4;</sub>&#x003C9;<italic><sub>i</sub></italic></td>
<td align="left">Damping torque (N&#x02009;rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>k<sub>f</sub></italic></td>
<td align="left">Translational damping constant</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>k</italic><sub>&#x003C4;</sub></td>
<td align="left">Angular damping constant</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>k<sub>s</sub></italic></td>
<td align="left">Joint-spring stiffness constant</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>k<sub>d</sub></italic></td>
<td align="left">Joint-spring damping constant</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec>
<title>Muscle contraction dynamics</title>
<p>Muscle was modeled by an active contractile element (CE) in parallel to a passive elastic element (PE) according to the Voigt model (Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>A). The net force imparted by the muscle was thus</p>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M124"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>a</italic>(<italic>t</italic>)&#x02009;&#x02208;&#x02009;[0, 1] denotes the instantaneous level of muscle activation, <italic>F</italic><sub>max</sub> denotes maximal muscle force, <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes joint angle and <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes joint opening velocity. Muscle length was treated as a linear function of joint angle, as justified by cadaver studies (Grieve et al., <xref ref-type="bibr" rid="B15">1978</xref>). Notice we use <italic>hat</italic> notation to distinguish joint angle <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and joint opening velocity <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from limb segment orientation &#x003B8; and limb segment angular velocity &#x003C9;.</p>
<p>The CE <italic>force-length</italic> relationship (blue line in Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>B) was modeled by a Gaussian curve,</p>
<disp-formula id="E4"><label>(4)</label><mml:math id="M125"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>centered on resting muscle length <inline-formula><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as is conventional (see Winters and Stark, <xref ref-type="bibr" rid="B33">1987</xref>; Zajac, <xref ref-type="bibr" rid="B37">1989</xref>). The PE <italic>force-length</italic> relationship (green line in Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>B) was approximated by a hyperbolic curve,</p>
<disp-formula id="E5"><label>(5)</label><mml:math id="M126"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M24"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> specified the limits of joint movement and the constant <italic>k<sub>pe</sub></italic> specified the slope. The CE <italic>force-velocity</italic> relationship (Figure <xref ref-type="fig" rid="F2">2</xref>C) was approximated by an exponential hyperbolic tangent,</p>
<disp-formula id="E6"><label>(6)</label><mml:math id="M127"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>tanh</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>with a single slope parameter, <italic>k<sub>v</sub></italic>, rather than piecewise hyperbolics after Hill (<xref ref-type="bibr" rid="B17">1938</xref>). See Table <xref ref-type="table" rid="T2">2</xref> for a list of all parameters related to muscle dynamics.</p>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Table 2</label>
<caption><p><bold>Description of parameters related to muscle dynamics</bold>.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th align="left">Parameter</th>
<th align="left">Description</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Joint angle (rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Lower limit of joint angle (rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M28"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Upper limit of joint angle (rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Resting length of CE (rad)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">Joint opening velocity (rad&#x02009;s<sup>&#x02212;1</sup>)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>F<sub>m</sub></italic></td>
<td align="left">Instantaneous muscle force (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>F<sub>ce</sub></italic></td>
<td align="left">Force imparted by CE (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>F<sub>pe</sub></italic></td>
<td align="left">Force imparted by PE (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>F<sub>max</sub></italic></td>
<td align="left">Maximal muscle force (N)</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>a</italic>(<italic>t</italic>)</td>
<td align="left">Instantaneous muscle activation</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">CE force-length relation</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">CE force-velocity relation</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M33"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
<td align="left">PE force-length relation</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>k<sub>l</sub></italic></td>
<td align="left">Slope of CE force-length relation</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>k<sub>v</sub></italic></td>
<td align="left">Slope of CE force-velocity relation</td>
</tr>
<tr>
<td align="left"><italic>k<sub>pe</sub></italic></td>
<td align="left">Slope of PE force-length relation</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec>
<title>Stability analysis of opposing muscles</title>
<p>We analyzed the angular motion of an isolated limb segment actuated by a pair of opposing muscles to gain insights into the effects of co-contraction. The muscles imposed opposing torques,</p>
<disp-formula id="E7"><label>(7)</label><mml:math id="M128"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E8"><label>(8)</label><mml:math id="M129"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>on the limb segment where <italic>F</italic> denotes contractile muscle force (3) and <italic>mom</italic> denotes the moment arm of the muscle. These torques were substituted into Euler&#x02019;s law (2) and integrated numerically as a set of first-order ordinary differential equations.</p>
<p>The damping effects of co-contraction were investigated by comparing the motions of the isolated limb under differing conditions of muscle co-activation but identical net joint torques. Phase portraits of the motion (&#x003B8;<italic><sub>a</sub></italic> versus &#x003C9;<italic><sub>a</sub></italic>) were computed for conditions of nil muscle activation (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0), 25% muscle activation (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.25), and 50% muscle activation (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.5) where the latter represents the upper limit of co-contraction in physiological conditions. Each phase portrait portrays all possible motions of the limb segment for a given set of muscle activations. The flow of the vector field in the phase portrait can be characterized by the <italic>nullclines</italic> of the dynamic variables which corresponds to those cross sections through phase space where growth of one or more variables is zero. Equilibrium points occur where the nullclines intersect and the growth of <italic>all</italic> variables is zero. Linearizing the flow around equilibrium points allows their stability to be quantified by their eigenvalues. The real part of the eigenvalue quantifies the rate of convergence to the equilibrium point (damping) whereas the imaginary part of the eigenvalue quantifies the rotational component (oscillation frequency) of the vector field around the equilibrium point. When a parameter change causes the real part of the eigenvalue to cross zero from below, stability of the equilibrium point is lost as fluctuations grow exponentially. This is known as a <italic>local bifurcation</italic> of a continuous dynamical system and is classified as either a saddle-node, transcritical, pitchfork, or Hopf bifurcation according to the nature of the ensuing flow (see Strogatz, <xref ref-type="bibr" rid="B27">2000</xref>; Breakspear and Jirsa, <xref ref-type="bibr" rid="B4">2007</xref>, for reviews).</p>
<p>Preliminary analysis of these nullclines also suggested that gross asymmetries in the force-length properties of the opponent muscles may cause the equilibrium position of the joint to bifurcate into a co-existing pair of non-unique equilibrium positions under high levels of co-contraction. Phase portraits were thus computed for opponent muscles in which the resting length of the CE force-length property &#x003B8;<sub>0</sub> had been shifted away from the midpoint of the muscle&#x02019;s range of extension by the arbitrary amount of 1&#x02009;rad <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> under various conditions of balanced co-contraction (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>) and imbalanced co-contraction (<italic>a<sub>a</sub></italic> varied while <italic>a<sub>b</sub></italic> held fixed). Parameter space was explored by numerical continuation of the observed bifurcation points was performed using the CL_MATCONT numerical toolkit (Dhooge et al., <xref ref-type="bibr" rid="B8">2003</xref>).</p>
</sec>
<sec>
<title>Numerical experiment 1: Effect of co-contraction on damping</title>
<p>The effect of co-contraction mediated muscle damping was verified in the full biomechanical limb by comparing the motion of identical limbs under conditions of <italic>medium</italic> (near 20%), <italic>strong</italic> (near 50%), and <italic>extreme</italic> (near 80%) co-contraction (Table <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>) with identical net muscle activations <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> across conditions. Extreme co-contraction represents the theoretical limit of co-contraction in the mathematical sense and does not occur in nature. Muscle activations were held constant for the duration of the simulation (10&#x02009;s) with the limb initially hanging at rest from the base pivot. All other parameters were held fixed (<italic>m<sub>i</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1, <italic>L<sub>i</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1, <italic>k<sub>f</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0, <italic>k<sub>&#x003C4;</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0, <italic>k<sub>s</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1, <italic>k<sub>d</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1, <italic>G<sub>ix</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0, <italic>G<sub>iy</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;9.81, <italic>F</italic><sub>max,1</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;4000, <italic>F</italic><sub>max,2</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;2000, <italic>F</italic><sub>max,3</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1000, <italic>k<sub>pe</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.1, <italic>k<sub>l</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;&#x003C0;<sup>2</sup>/ln(0.1), <italic>k<sub>v</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.2, &#x00278;<italic><sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;0.2, &#x00278;<italic><sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.2, &#x00278;<italic><sub>c</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.2, &#x00278;<italic><sub>d</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;0.2, &#x003B8;<sub>min</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.3&#x003C0;, &#x003B8;<sub>max</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1.6&#x003C0;, &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.95&#x003C0;).</p>
<table-wrap position="float" id="T3">
<label>Table 3</label>
<caption><p><bold>Muscle activation levels for the conditions of <italic>medium</italic>, <italic>strong</italic>, and <italic>extreme</italic> co-contraction used in Experiments 1 and 2</bold>.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<thead>
<tr>
<th align="left">Condition</th>
<th align="left">Muscle activation levels</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td align="left">Medium</td>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Strong</td>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Extreme</td>
<td align="left"><inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em" class="thinspace"/><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p><italic>The net muscle activation <inline-formula><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is identical across all conditions</italic>.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
</sec>
<sec>
<title>Numerical experiment 2: Effect of asymmetric muscles</title>
<p>The effect of co-contraction mediated multistability in <italic>asymmetric</italic> muscles was verified in the full biomechanical limb model by comparing the final postures adopted (at t&#x02009;&#x0003D;&#x02009;30&#x02009;s) by n&#x02009;&#x0003D;&#x02009;200 simulation runs of identical limbs undergoing <italic>medium</italic>, <italic>strong</italic>, and <italic>extreme</italic> co-contraction from random initial postures (always at rest). The same set of initial postures were used in both co-conditions and muscle asymmetries were imposed by shifting the CE resting length of opposing muscles to <inline-formula><mml:math id="M40"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> All other parameters were the same as those in Experiment 1.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>Results</title>
<sec>
<title>Stability analysis of opposing muscles</title>
<p>Analysis of the isolated limb segment revealed co-contraction modulated muscle damping effects emerged natively from the muscle model. Furthermore, a wide range of muscle activations were found to yield bistable equilibria when the opponent muscles were configured with asymmetric CE force-length properties.</p>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref> reveals the differing levels of damping exhibited by the isolated limb segment under conditions of 0, 25, and 50% co-contraction. Damping was entirely absent under 0% co-contraction (Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>A) as seen by the closed orbits around the equilibrium position. The lack of damping was confirmed quantitatively by noticing that the real part of the eigenvalues of the equilibrium position were zero (&#x003BB;<sub>1,2</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0&#x02009;&#x000B1;&#x02009;0.174<italic>i</italic>). By comparison, progressively more damping was observed in the 25% co-contraction (Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>B) and 50% co-contraction (Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>C) conditions, as quantified by progressively larger negative values in the real parts of the eigenvalues (&#x003BB;<sub>1,2</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;0.0657&#x02009;&#x000B1;&#x02009;0.161<italic>i</italic> and &#x003BB;<sub>1,2</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x02009;0.1314&#x02009;&#x000B1;&#x02009;0.114<italic>i</italic> respectively).</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p><bold>Phase portraits of the motion of an isolated limb segment actuated by an opposing pair of symmetric muscles under conditions of <bold>(A)</bold> nil co-activation (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0), <bold>(B)</bold> 25% co-activation (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.25) and <bold>(C)</bold> 50% co-activation (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.5)</bold>. The latter approximates the biological limit of muscle co-contraction in nature. All other musculoskeletal parameters are identical in all three conditions (<italic>m</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;5, <italic>L</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1, &#x00278;&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.2, <italic>F</italic><sub>max</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1, <italic>k<sub>l</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x02212;&#x003C0;<sup>2</sup>/In(0.1), <italic>k<sub>v</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;2, <italic>k<sub>pe</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.1, <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="qopname">min</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="qopname">max</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>). Horizontal axis in each panel represents the angular position of the limb segment (&#x003B8;) and is synonymous with both joint angle and muscle length. Vertical axis represents the angular velocity of the limb segment (&#x003C9;) and is synonymous with muscle lengthening velocity. Faint green lines indicate randomly selected motion trajectories. Heavy blue line in each panel indicates the nullcline of &#x003C9;. Its zero-crossings denote the equilibrium positions of the limb segment (&#x003B8;&#x02009;&#x0003D;&#x02009;180 degrees in all panels). The curvature of the nullcline qualitatively characterizes the degree of damping in the vector field. Damping is also quantified by the eigenvalues at the equilibrium point (see text) which confirm that damping is absent under nil co-activation and increases with higher levels of co-activation.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-05-00005-g003.tif"/>
</fig>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref>A reveals the existence of bistable equilibrium positions in the same joint when the muscles were configured with <italic>asymmetric</italic> CE force-length properties (&#x003B8;<italic><sub>a0</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003B8;<italic><sub>b0</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003C0;&#x02009;&#x02212;&#x02009;1) and subjected to 50% co-contraction. Since the nullcline of <inline-formula><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is always <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the present model, we need only consider the nullcline of <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to understand the motion of the joint. Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref>B shows the nullclines for the asymmetrically actuated limb under differing levels of balanced co-contraction (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0, &#x02026;, 1). It reveals a supercritical pitchfork bifurcation in the equilibrium positions as co-contraction exceeds the critical value of <italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.17 (indicated by the branch point BP). The pitchfork bifurcation occurs when the slope of the nullcline at the central stable equilibrium point changes sign resulting in a nullcline with three distinct zero crossings. In the supercritical case, these three zero crossings correspond to a central unstable equilibrium point flanked by a pair of stable equilibrium points.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p><bold>(A)</bold> Phase portrait of an isolated limb segment actuated by opposing muscles with asymmetric CE force-length properties <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at 50% co-activation (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.5). All other parameters are identical to those of Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>. One unstable equilibrium point is observed at <inline-formula><mml:math id="M48"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>18</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and two stable equilibrium points are observed at <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>28</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02218;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> respectively. <bold>(B)</bold> Nullclines for the same limb segment after manipulating muscle co-activation (<italic>a</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>) from 0 to 1 in steps of 0.1. <bold>(C)</bold> Bifurcation plot showing the onset of bistability in the equilibrium positions through a pitchfork bifurcation as muscle co-activation is increased. Solid lines indicate stable equilibrium points, dashed lines indicate unstable equilibrium points. The branch point (BP) marks the onset of bistability (<italic>a</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.172). <bold>(D)</bold> Same as <bold>(A)</bold> except here <italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0., <italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.5 and only a single stable equilibrium point (&#x000FE;eta&#x02009;&#x0003D;&#x02009;292&#x000B0;) is observed. <bold>(E)</bold> Same as <bold>(B)</bold> except here <italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.5 is held fixed while <italic>a<sub>a</sub></italic> is manipulated from 0 to 1. <bold>(F)</bold> Bifurcation plot showing the emergence of bistability through a saddle-node bifurcation as muscle activation <italic>a<sub>a</sub></italic> is increased while <italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.5 is held fixed. The limit points (LP) mark the onset (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.338) and offset (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.998) of bistability.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-05-00005-g004.tif"/>
</fig>
<p>Similarly, Figures <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref>D&#x02013;F describe the motion of the asymmetrically actuated limb when <italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.5 is held fixed while <italic>a<sub>b</sub></italic> is manipulated. Here we observe a saddle-node bifurcation that yields bistable equilibrium positions when muscle activations are within the critical range 0.338&#x02009;&#x0003C;&#x02009;<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003C;&#x02009;0.998. The saddle-node (or fold) bifurcation occurs when the turning points in the nullcline fold back far enough to support multiple zero crossings, specifically, one unstable equilibrium flanked by two stable equilibria.</p>
<p>Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>A shows the bistability map for the asymmetric joint with &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003C0;&#x02009;&#x02212;&#x02009;1. It reveals the extent of muscle activations that yield bistable equilibrium positions in this case. The cusp point (CP) corresponds to the branch point in Figure <xref ref-type="fig" rid="F4">4</xref>C and it marks the furthest extent of the bistable region. Its position (always on the line <italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>) depends upon the CE resting length parameter &#x003B8;<sub>0</sub>. Figure <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref>B plots the migration of the cusp point as &#x003B8;<sub>0</sub> is manipulated. Here we see that the bistability emerges at 100% co-contraction levels when &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;3.00&#x02009;rad (point A) while it emerges at 50% co-contraction levels when &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;2.86&#x02009;rad (point B). Bistability therefore emerges in the biological operating range of co-contraction when the CE resting lengths of the opposing muscles are shifted away from the muscle midpoint by as little as (&#x003C0;&#x02009;&#x02212;&#x02009;2.86) radians (16.1&#x000B0;).</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p><bold>(A)</bold> Bistability map for the isolated limb segment with asymmetric CE force-length properties (&#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003C0;&#x02009;&#x02212;&#x02009;1). Solid lines indicate the transition boundary between bistable and monostable regions. Dotted line indicates balanced co-contraction (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>). Cusp point (CP) marks the furthest extent of the bistable region (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.171). Points M, S, and X correspond to the conditions of medium, strong, and extreme co-contraction applied in Experiments 1 and 2. <bold>(B)</bold> Shows the migration of the cusp point along the line of balanced co-contraction when the CE resting length parameter is manipulated between &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003B8;<italic><sub>a0</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003B8;<italic><sub>b0</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0 (the limit of joint flexion) and &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003B8;<italic><sub>a0</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003B8;<italic><sub>b0</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003C0; (the midpoint of muscle). Point A (&#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;3.00, <italic>a</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1) marks the emergence of bistability at 100% co-contraction levels. Point B (&#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;2.86, <italic>a</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.5) marks the emergence of bistability at 50% co-contraction levels. Point C (&#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003C0;&#x02009;&#x02212;&#x02009;1, <italic>a</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.171) corresponds to point CP in the previous panel. Point D (&#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1.68, <italic>a</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0.154) marks the maximal extent of the bistable region.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-05-00005-g005.tif"/>
</fig>
<p>In comparison, bistability emerges at 17.1% co-contraction levels when &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003C0;&#x02009;&#x02212;&#x02009;1 (point C) which is the value used in our simulations. This happens to be close to the maximal extent of bistability which emerges at only 15.4% co-contraction levels when &#x003B8;<sub>0</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1.68&#x02009;rad (point D) and corresponds to shifting &#x003B8;<sub>0</sub> by (&#x003C0;&#x02009;&#x02212;&#x02009;1.68) radians (83.7&#x000B0;) from the muscle midpoint &#x02013; which is an extreme shift.</p>
</sec>
<sec>
<title>Numerical experiment 1</title>
<p>Co-contraction modulated damping effects were confirmed in the full biomechanical limb. Figures <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>A&#x02013;C show the trajectories of the limb under conditions of medium, strong, and extreme co-contraction. Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>D tracks the vertical position of the limb tip for each condition where limb damping is observed to increase with higher levels of co-contraction. The limb converged to the same equilibrium position in all conditions, confirming that multistability did not apply when the opponent muscles were symmetrically matched.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p><bold>Results of Numerical Experiment 1</bold>. <bold>(A&#x02013;C)</bold> Show the trajectories of the full biomechanical limb under conditions of medium, strong, and extreme co-contraction in the presence of gravity (denoted by G). Here, medium contraction is close to 20% activation capacity. Strong co-contraction is close to 50% capacity and thus approximates the biological limit of co-contraction. Extreme co-contraction is close to 80% capacity and approximates the mathematical limit of co-contraction. Limb position is sampled at 0.1&#x02009;s intervals in all three panels. <bold>(D)</bold> Tracks the vertical position of the limb tip for each co-contraction condition. Damping in the full biomechanical limb is observed to increase with higher levels of co-contraction, consistent with the findings for the isolated limb segment. See Movie S1 in Supplementary Material for an animated version of this figure.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-05-00005-g006.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>Numerical experiment 2</title>
<p>Co-contraction modulated multistability was confirmed in the full biomechanical limb with asymmetric CE force-length properties. Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>A shows the random initial limb postures used in all conditions. Figures <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>B&#x02013;D show the final limb postures for medium, strong, and extreme co-contraction respectively. All limbs undergoing medium co-contraction converged to the same posture (Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>B) and are indistinguishable. In contrast, limbs undergoing extreme co-contraction (Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>D) converged to one of six distinct stable postures which clearly demonstrated that all joints were operating in the bistable regime, whereas limbs undergoing strong co-contraction (Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>C) converged to one of only two distinct equilibrium postures. Nonetheless, all joint angles in this condition diverged noticeably from those observed under medium co-contraction suggesting all were operating in the bistable regime even though only some had converged to distinct equilibrium positions.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p><bold>Results of Numerical Experiment 2</bold>. <bold>(A)</bold> Shows the random initial limb postures for all simulation runs (n&#x02009;&#x0003D;&#x02009;200) of the full biomechanical limb. <bold>(B&#x02013;D)</bold> Show the final limb postures adopted by all runs under conditions of medium, strong, and extreme co-contraction respectively. Opposing muscles have asymmetric CE force-length properties (&#x003B8;<italic><sub>a0</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003B8;<italic><sub>b0</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;&#x003C0;&#x02009;&#x02212;&#x02009;1) otherwise all parameters are the same as Figure <xref ref-type="fig" rid="F6">6</xref>. All limbs undergoing medium co-contraction converged to same final posture whereas those undergoing strong and extreme co-contraction converged to non-unique final postures. These observations are consistent with the findings of bistability in the isolated limb segment. See Movie S2 in Supplementary Material for an animated version of this figure.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-05-00005-g007.tif"/>
</fig>
<p>Not all of the possible combinations of (bi)stable joint solutions yield stable limb postures in Figures <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>C,D. This is particularly noticeable in Figure <xref ref-type="fig" rid="F7">7</xref>D where two of the eight possible postural combinations of bistable joints are rendered unstable by the action of gravity. Critical slowing of the limb is evident in the vicinity of these &#x0201C;missing&#x0201D; postures (see Movie S2 in Supplementary Material) confirming that the system is close to a stable regime even though stability is not achieved in this case.</p>
</sec>
<sec>
<title>Conditions for monostability</title>
<p>By dynamical system theory the limb joint is guaranteed to be monostable when the velocity nullcline is monotonically decreasing and thus has only one zero-crossing (as is the case in Figure <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>). Here, we derive an analytical expression for the equilibrium position of the isolated limb segment for the special case of identical antagonist muscles. We then use that expression to prove that monostability is guaranteed in the special case. This proof does not preclude the possibility that monostability may also hold when antagonistic muscles are similar but not identical.</p>
<p>The equilibrium position of the limb segment is given by the intersection of the nullclines of <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> but since the nullcline of <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is always <inline-formula><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for our system we need only consider the zero crossings of the nullcline of <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Solving Euler&#x02019;s law of motion for the case where <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and substituting muscle equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="E3">3</xref>&#x02013;<xref ref-type="disp-formula" rid="E6">6</xref>) allows the nullcline to be expressed as</p>
<disp-formula id="E9"><label>(9)</label><mml:math id="M130"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003C9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003C9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E10"><mml:math id="M131"><mml:mtable class="eqnarray-star" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd class="eqnarray-1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-2"><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-3"></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-4"><mml:mtext class="eqnarray"></mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="eqnarray-1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-2"><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-3"></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-4"><mml:mtext class="eqnarray"></mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="eqnarray-1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-2"><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-3"></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-4"><mml:mtext class="eqnarray"></mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="eqnarray-1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-2"><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-3"></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-4"><mml:mtext class="eqnarray"></mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>are defined for brevity. Observe that <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003C9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003C9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the zero crossings of (9) and all force-velocity relations have <italic>f<sub>v</sub></italic>(0)&#x02009;&#x0003D;&#x02009;1 by definition thus the zero crossings of the nullcline are obtained by solving the expression</p>
<disp-formula id="E11"><label>(10)</label><mml:math id="M132"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003B8;<italic><sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0002B;&#x02009;&#x003B8;<italic><sub>b</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;2&#x003C0;. We now use this expression to prove the following theorem.</p>
<p><bold>Theorem</bold>. <italic>The nullcline (9) of an isolated limb segment actuated by an identical pair of opposing Voigt muscles always has exactly one root <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for any given pair of fixed muscle activations, <italic>a<sub>a</sub></italic> and <italic>a<sub>b</sub></italic>. Thus monostability of the limb segment is guaranteed for all possible muscle activations</italic>.</p>
<p>P<sc>roof</sc>. The roots of nullcline (9) are given by equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E11">(10)</xref>. When the opponent muscles (denoted &#x0201C;<italic>a</italic>&#x0201D; and &#x0201C;<italic>b</italic>&#x0201D;) have identical muscuoloskeletal properties (<italic>mom<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>mom<sub>b</sub></italic>, <italic>F<sub>max,a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>F<sub>max,b</sub></italic>, <italic>k<sub>la</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>k<sub>lb</sub></italic>, <italic>k<sub>pea</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>k<sub>peb</sub></italic>, <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="0.3em" class="thinspace"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) then equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E11">(10)</xref> reduces to</p>
<disp-formula id="E12"><label>(11)</label><mml:math id="M133"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed in terms of <inline-formula><mml:math id="M61"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by substituting <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>and</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows,</p>
<disp-formula id="E13"><label>(12)</label><mml:math id="M134"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Similarly, <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed in terms of <inline-formula><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by substituting <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>and</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as follows,</p>
<disp-formula id="E14"><label>(13)</label><mml:math id="M135"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Substituting (12) and (13) into (11) yields</p>
<disp-formula id="E15"><label>(14)</label><mml:math id="M136"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E16"><label>(15)</label><mml:math id="M137"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E17"><label>(16)</label><mml:math id="M138"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<p>are defined for convenience. From this point onward we omit the muscle subscript (<italic>a</italic>) from the notation for brevity. Notice that <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to a Gaussian curve centered on <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a peak amplitude of (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x02212;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>)/<italic>k<sub>pe</sub></italic>. Notice also that <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the difference of two hyperbolics which asymptotes vertically to &#x0002B;&#x0221E; at <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and to &#x02212;&#x0221E; at <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with a zero crossing at <inline-formula><mml:math id="M71"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Functions <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are both continuous on the interval <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
<p>We argue geometrically that functions <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> always intersect exactly once on the interval <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for any value of (<italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x02212;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>) and therefore equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E12">(11)</xref> always has exactly one solution. It follows from the definition of (11) that nullcline (9) always has exactly one root when the opposing muscles are symmetric.</p>
<sec>
<title>Case 1: a<sub>a</sub>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;a<sub>b</sub></title>
<p>Here <inline-formula><mml:math id="M78"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> thus equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E15">(14)</xref> reduces to</p>
<disp-formula id="E18"><mml:math id="M139"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<p>which simplifies to the unique solution</p>
<disp-formula id="E19"><mml:math id="M140"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></disp-formula>
<p>after rearranging and canceling redundant terms. Thus nullcline (9) has exactly one root when <italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>.</p>
</sec>
<sec>
<title>Case 2: a<sub>a</sub>&#x02009;&#x0003E;&#x02009;a<sub>b</sub></title>
<p>Here <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a continuous, non-negative function that is monotonically <italic>increasing</italic> on the interval <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and monotonically <italic>decreasing</italic> on the interval <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> whereas <inline-formula><mml:math id="M82"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a continuous, monotonically decreasing function that is non-negative on the interval <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and non-positive on the interval <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
<p>Since <inline-formula><mml:math id="M85"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are both non-negative in the interval <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> wherein <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is monotonically <italic>increasing</italic> and <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is monotonically <italic>decreasing</italic> from its upper bound of &#x0002B;&#x0221E; to its lower bound of zero then there must exist exactly one solution in <inline-formula><mml:math id="M90"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is satisfied.</p>
<p>On the other hand, <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is always <italic>positive</italic> and <inline-formula><mml:math id="M93"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is always <italic>non-positive</italic> on the interval <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Hence there are no solutions in this interval that satisfy <inline-formula><mml:math id="M95"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Consequently, exactly one solution to equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E15">(14)</xref> exists in this case across the entire interval <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Thus nullcline (9) has exactly one root when <italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003E;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>.</p>
</sec>
<sec>
<title>Case 3: a<sub>a</sub>&#x02009;&#x0003C;&#x02009;a<sub>b</sub></title>
<p>Similar to case 2 except here <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a continuous, <italic>non-positive</italic> function that is monotonically <italic>decreasing</italic> on the interval <inline-formula><mml:math id="M98"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and monotonically <italic>increasing</italic> on the interval <inline-formula><mml:math id="M99"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> whereas <inline-formula><mml:math id="M100"><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is unchanged.</p>
<p>Following the same reasoning as above, no solutions to <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> exist in the interval <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and exactly one solution exists in the interval <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Consequently, exactly one solution to equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E12">(11)</xref> exists in this case across the entire interval <inline-formula><mml:math id="M104"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mo>&#x003B8;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x0005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Thus nullcline (9) has exactly one root when when <italic>a<sub>a</sub></italic>&#x02009;&#x0003C;&#x02009;<italic>a<sub>b</sub></italic>.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="discussion">
<title>Discussion</title>
<p>Our objective was to provide a simplified anatomical forward model of limb movement that replicates the fundamental dynamical relationships between muscle co-contraction and limb movement. Limb anatomy was reduced to a planar three-link rigid body limb where each joint is actuated by an opposing pair of simplified muscle actuators having force-length-velocity properties that approximate those of natural muscle systems. Stability analysis of a pair of antagonist muscle actuators confirmed that co-contraction increases muscle damping as anticipated. The stability analysis also revealed that co-contraction induces bistable equilibrium when the force-length properties of the opponent CEs are sufficiently asymmetric. Both findings were verified in the full biomechanical limb model where overall limb damping increased with co-contraction (Numerical Experiment 1) and multiple co-existing stable equilibrium postures were evoked when co-contraction was high (Numerical Experiment 2).</p>
<p>The effect of co-contraction on muscle damping is best understood by inspecting equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E3">(3)</xref> of the muscle model and observing that muscle activation <italic>a</italic>(<italic>t</italic>) modulates both the force-length <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and force-velocity <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> properties of the contractile element. Muscle activation therefore modulates both isometric muscle force and muscle damping to the same extent however the opposing isometric muscle forces cancel to produce nil joint torque whereas the damping forces of both muscles unite against the common muscle movement.</p>
<p>On the other hand, the effect of co-contraction on joint stability is best understood in terms of the velocity nullcline for a single pair of opposing muscles. Increased co-contraction induces turning points in the velocity nullcline when the force-length curves of the opponent muscles are sufficiently asymmetric. Above a critical level of co-contraction these turnings can become large enough for the nullcline to support multiple zero crossings. In such cases, the unique stable equilibrium bifurcates to yield a pair of non-identical stable equilibria. The critical level of co-contraction at which bistability emerges is determined by the degree of asymmetry in the force-length properties of the antagonist muscles. Bistability does not emerge when the antagonist muscles have identical properties.</p>
<sec>
<title>Implications for motor control theory</title>
<p>While co-contraction is known to modulate both muscle damping and musculotendon stiffness, it has not previously been implicated with bistable equilibria to the best of our knowledge. Indeed, mainstream theoretical accounts of biological motor control (e.g. Feldman, <xref ref-type="bibr" rid="B10">1966</xref>; Feldman and Levin, <xref ref-type="bibr" rid="B12">1995</xref>) typically assume that co-activations of antagonist muscles implicitly translate into monostable equilibrium positions. However our findings suggest that such an assumption may not always be justified. Existing theoretical accounts may therefore need to accommodate the additional complexities of either controlling or avoiding bistability in the muscle apparatus to achieve unambiguous forward control of the joint.</p>
<p>Whether co-contraction mediated bistability occurs in nature remains an open question. Our analysis suggests that bistable postures can emerge at biologically plausible levels of co-contraction (50% maximal isometric force) when the CE resting length parameters are offset from the muscle midpoint by as little as 16.1&#x000B0;. This critical offset value corresponds to a peak-to-peak discrepancy in the force-length curves of the antagonist muscles of 32.2&#x000B0; (twice the offset). This critical value happens to be exceeded by the peak-to-peak discrepancies in human elbow (40&#x000B0;), knee (40&#x000B0;), and ankle (60&#x000B0;) reported by Winters and Stark (<xref ref-type="bibr" rid="B32">1985</xref>). So it is not unreasonable to consider that bistable antagonist muscle systems may indeed exist in nature.</p>
</sec>
<sec>
<title>Implications for neurorobotics</title>
<p>The increasing use of biomimetic actuators in robotic systems (e.g. Ayers et al., <xref ref-type="bibr" rid="B1">2002</xref>; Safak and Adams, <xref ref-type="bibr" rid="B39">2002</xref>) complements the neurorobotic doctrine that the brain cannot be studied separately from the body (Chiel and Beer, <xref ref-type="bibr" rid="B5">1997</xref>). The central nervous system&#x02019;s ability to use muscle co-contraction to actively control limb damping highlights the tight integration between the functionality of the motor control system and the contractile dynamics of muscle tissue. However not all muscle properties have equivalent functional relevance to the motor control system so only the most relevant muscle properties need be incorporated into biomimetic actuators.</p>
<p>Our biomechanical model demonstrates that simplified actuators with idealized forms of CE force-length-velocity properties are sufficient to permit active control of joint damping through co-contraction. More specifically, it is crucial that the force-velocity property of the actuator be modulated by its activation level for co-contraction modulated damping effects to occur. Musculotendon series elasticity, for example, is not necessary for this purpose. As we have shown, care must be taken with the force-length property of the actuator to avoid gross non-linearities in the dynamics of opposing actuators which can introduce non-unique equilibria into the forward dynamics that merely complicate the problem of joint control. Thankfully, numerical stability analysis allows the monostable operating limits of antagonist actuators to be ascertained from the contractile dynamics of a single biomimetic actuator.</p>
</sec>
<sec>
<title>Limitations</title>
<p>The contractile dynamics of the present biomechanical model were simplified by the use of the Voigt muscle model which lacks a series elastic element. This simplification made it possible to derive an analytical solution to the equilibrium position of antagonist muscles and to prove that monostability is guaranteed for identical muscles. However musculotendon series elasticity is known to have a significant impact on muscle stiffness during rapid movement (Winters and Stark, <xref ref-type="bibr" rid="B32">1985</xref>; Winters et al., <xref ref-type="bibr" rid="B35">1988</xref>). The physiological accuracy of the present model is therefore limited to low and moderate speed movements where dynamic changes in muscle stiffness are negligible.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>Conclusion</title>
<p>Our analysis of antagonistic Voigt muscles highlights that even simple muscle systems can exhibit unexpected multistable behaviors. Insights into these complex behaviors were gleaned through the application of formal methods from dynamical system theory where knowledge of the nullclines of the dynamic variables allowed us to predict the stability of the equilibrium positions of co-contracting muscles and to map the conditions under which co-contraction induces bistable joint postures. Bistability complicates the problem of achieving unambiguous control over the forward dynamics. Its existence has practical implications for the design of non-linear biomimetic actuators and theoretical implications for accounts of biological motor control that presume antagonist muscle systems are universally monostable. Further numerical analysis using more elaborate antagonist muscle models is required to assess the impact of musculotendon series elasticity on the emergence of bistability. Empirical research is ultimately required to establish whether bistable antagonist muscle dynamics can be observed in nature.</p>
</sec>
<sec>
<title>Conflict of Interest Statement</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="supplementary-material">
<title>Supplementary Material</title>
<p>The Movies S1 and S2 for this article can be found online at <uri xlink:href="http://www.frontiersin.org/neurorobotics/10.3389/fnbot.2011.00005/abstract">http://www.frontiersin.org/neurorobotics/10.3389/fnbot.2011.00005/abstract</uri></p>
</sec>
</body>
<back>
<app-group>
<app id="A1">
<title>Appendix A</title>
<sec>
<title>Derivation of the forward dynamics</title>
<p>Equations <xref ref-type="disp-formula" rid="E1">(1)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="E2">(2)</xref> can be rearranged as a set of first-order ordinary differential equations,</p>
<disp-formula id="E20"><mml:math id="M141"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="right center left"><mml:mtr><mml:mtd class="eqnarray-1"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-2"><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-3"></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-4"><mml:mtext class="eqnarray">(A1)</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="eqnarray-1"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-2"><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-3"></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-4"><mml:mtext class="eqnarray">(A2)</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="eqnarray-1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-2"><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-3"></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-4"><mml:mtext class="eqnarray">(A3)</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="eqnarray-1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-2"><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-3"></mml:mtd><mml:mtd class="eqnarray-4"><mml:mtext class="eqnarray">(A4)</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and integrated numerically to obtain the evolution of each limb segment&#x02019;s position <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> orientation &#x003B8;<italic><sub>i</sub></italic>, translational velocity <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and angular velocity &#x003C9;<italic><sub>i</sub></italic> from a given set of initial conditions <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">}</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-rel">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
<p>By convention, the system of equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="E20">A1</xref>&#x02013;<xref ref-type="disp-formula" rid="E20">A4</xref>) is closed by <italic>joint constraints</italic> that enforce matched accelerations of adjoining limb segments (<italic>i</italic> and <italic>j</italic>), namely</p>
<disp-formula id="E21"><label>(A5)</label><mml:math id="M142"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the acceleration of the distal tip of the <italic>i</italic>th limb segment and <inline-formula><mml:math id="M111"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the acceleration of the proximal tip of the <italic>j</italic>th limb segment (<italic>j</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>i</italic>&#x02009;&#x0002B;&#x02009;1). The vectors <inline-formula><mml:math id="M112"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M113"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denote the proximal and distal radial arm vectors of the <italic>i</italic>th segment <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
<p>So-called <italic>contact constraints</italic> similarly clamp the acceleration of the contact point with the external world to zero, namely</p>
<disp-formula id="E22"><label>(A6)</label><mml:math id="M143"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="E21">A5</xref>) and (<xref ref-type="disp-formula" rid="E2">A6</xref>) can be expanded to yield the constraints in the form of ordinary differential equations,</p>
<disp-formula id="E23"><label>(A7)</label><mml:math id="M144"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E24"><label>(A8)</label><mml:math id="M145"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>that are compatible with equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="E20">A1</xref>&#x02013;<xref ref-type="disp-formula" rid="E20">A4</xref>). Here <italic>i</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0, 1, 2 and <italic>j</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>i</italic>&#x02009;&#x0002B;&#x02009;1 with individual terms having <italic>i</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;0 being ignored.</p>
<p>Following Otten (<xref ref-type="bibr" rid="B23">2003</xref>), the unknown internal joint forces in equation (<xref ref-type="disp-formula" rid="E20">A3</xref>) were solved at each step of the integration by expressing equations (<xref ref-type="disp-formula" rid="E20">A3</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="E20">A4</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="E23">A7</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="E24">A8</xref>) in matrix form <italic>AX</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>B</italic> and computing the inverse <italic>X</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;<italic>A</italic><sup>&#x02212;1B</sup> where <italic>X</italic> represents the unknowns. Specifically,</p>
<disp-formula id="E25"><label>(A9)</label><mml:math id="M146"><mml:mfenced separators="" open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mfenced separators="" open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">M</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">S</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">0</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo class="MathClass-bin">&#x000D7;</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>01</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E26"><mml:math id="M147"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="{" close=""><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="{" close=""><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E27"><mml:math id="M148"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">M</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E28"><mml:math id="M149"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">R</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E29"><mml:math id="M150"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textbf" mathvariant="bold">S</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="[" close="]"><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="center"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>See Table <xref ref-type="table" rid="T1">1</xref> for descriptions of all parameters.</p>
</sec>
<sec>
<title>Musculoskeletal mechanics</title>
<p>Muscle paths were assumed to project linearly from attachment sites located at the midpoint of each limb segment and follow an approximately circular path around the joint shell. The transformation of muscle contraction force <italic>F</italic> to joint torque &#x003C4;,</p>
<disp-formula id="E30"><label>(A10)</label><mml:math id="M151"><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>is determined exclusively by the moment arm (<italic>mom</italic>) of the joint reaction force. The joint reaction force is equal and opposite to the muscle contraction force and its moment arm was a fixed property of the limb anatomy, namely <italic>mom</italic>&#x02009;&#x0003D;&#x02009;(1/2)L sin(&#x00278;) where &#x00278; denotes the angle of insertion of the muscle line-of-action at the attachment site and <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the limb segment&#x02019;s radial arm vector.</p>
<p>Each limb segment had four muscle insertions (denoted <italic>a,b,c,d</italic>) where insertions <italic>a</italic> and <italic>b</italic> were connected to the opposing muscles of the <italic>proximal</italic> joint respectively and insertions <italic>c</italic> and <italic>d</italic> were connected to the opposing muscles of the <italic>distal</italic> joint. The net torque on the limb segment due to all four muscle torques was thus</p>
<disp-formula id="E31"><label>(A11)</label><mml:math id="M152"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>where the torques &#x003C4;<italic><sub>c</sub></italic> and &#x003C4;<italic><sub>d</sub></italic> have negative sign because the radial arm vector to the distal joints has opposite direction to that of the proximal joint <inline-formula><mml:math id="M116"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo class="MathClass-open">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-close">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Substituting &#x003C4;<sub>net</sub> directly into the forward model of the skeleton as an external torque (&#x003C4;<sub>E</sub> in equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E25">A9</xref>) enables the muscles to drive the skeleton and thus completes the forward model.</p>
</sec>
</app>
<app id="A2">
<title>Appendix B</title>
<sec>
<title>Constraining numerical drift</title>
<p>The conventional implementation of the Newton-Euler method (Appendix A) is prone to numerical drift whereby accumulated rounding errors lead to a slow dislocation of the joints over time. We overcame this problem by introducing small spring forces in the joints (Figure <xref ref-type="fig" rid="FA1">A1</xref>) that explicitly bound adjoining limb segments together and counteracted any dislocation as it occurred. Numerical error was thus constrained to the legal degrees of freedom of the limb in a manner that is commensurate with the connective tissues in biological joints however these joint forces are not proposed as models of the connective tissues <italic>per se</italic>.</p>
<p>Joint-springs (our terminology) were modeled as a damped linear spring suspended between two point masses representing the limb segments. Each joint-spring exerted a binding force of</p>
<disp-formula id="E32"><label>(A12)</label><mml:math id="M153"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfenced separators="" open="(" close=")"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
<p>on the tips of the adjacent limbs segments (<italic>i</italic> and <italic>j</italic>), where constant <italic>k<sub>s</sub></italic> denotes the stiffness of the joint-spring and <italic>k<sub>d</sub></italic> is the spring damping constant. By Newton&#x02019;s law, this binding force induces an acceleration of <inline-formula><mml:math id="M117"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the tip of the proximal limb segment (Q1 in Figure <xref ref-type="fig" rid="FA1">A1</xref>) and an acceleration of <inline-formula><mml:math id="M118"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x02215;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the tip of the distal limb segment (P2 in Figure <xref ref-type="fig" rid="FA1">A1</xref>).</p>
<p>These joint binding forces were incorporated into the forward model by relaxing the conventional joint constraint (A5) to accommodate the correcting accelerations induced by the joint-springs, namely</p>
<disp-formula id="E33"><label>(A13)</label><mml:math id="M154"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Likewise for the contact constraint (A6) which was redefined as</p>
<disp-formula id="E34"><label>(A14)</label><mml:math id="M155"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo class="MathClass-punc">.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Notice these revised constraints are equivalent to the conventional constraints when the joint-spring accelerations <inline-formula><mml:math id="M119"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mi>P</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are zero. Equations <xref ref-type="disp-formula" rid="E33">(A13)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="E34">(A14)</xref> were incorporated into equation <xref ref-type="disp-formula" rid="E25">(A9)</xref> by redefining the coefficients</p>
<disp-formula id="E35"><mml:math id="M156"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="{" close=""><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mfenced separators="" open="{" close=""><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mo class="MathClass-bin">-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="MathClass-bin">&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="MathClass-punc">,</mml:mo><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mstyle class="text"><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo class="MathClass-rel">=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd class="array" columnalign="left"><mml:mspace width="1em" class="quad"/></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mfenced></mml:math></disp-formula>
<p>Pilot studies revealed that joint-springs were highly effective at preventing the dislocation of limb joints over time with 95.9% of joint gaps (sampled every 0.01&#x02009;s) in 24&#x02009;h of simulated limb motion being less than 1&#x02009;mm.</p>
<fig id="FA1" position="float">
<label>Figure A1</label>
<caption><p><bold>Adjoining limb segments were bound at the joints by damped spring forces that counteracted numerical drift in the Newton-Euler method</bold>. The joint-spring shown here exerts a binding force of <inline-formula><mml:math id="M121"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="MathClass-op">&#x02192;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Newtons at point Q1 and an equal and opposite force on point P2. The magnitude of the spring force <italic>J</italic> is proportional to size of the joint gap. Similarly, the magnitude of the damping force (not shown) is proportional to the rate at which of the joint gap changes.</p></caption>
<graphic xlink:href="fnbot-05-00005-a001.tif"/>
</fig>
</sec>
</app>
</app-group>
<ack>
<p>We gratefully acknowledge the financial support provided by the Australian Government (ARC Thinking Systems Grant TS0669860), Brain Sciences UNSW, and the Black Dog Institute. NF also acknowledges the financial support of Fonds Qu&#x000E9;b&#x000E9;cois de la Recherche sur la Nature et les Technologies (FQRNT). We also thank Dr Tjeerd Boonstra for his valuable comments and suggestions.</p>
</ack>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ayers</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Davis</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Rudolph</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <source>Neurotechnology for Biomimetic Robots</source>. <publisher-loc>Cambridge</publisher-loc>: <publisher-name>The MIT Press</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B2"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bhushan</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Shadmehr</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Computational nature of human adaptive control during learning of reaching movements in force fields</article-title>. <source>Biol. Cybern.</source> <volume>81</volume>, <fpage>39</fpage>&#x02013;<lpage>60</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s004220050543</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10434390</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bizzi</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Dev</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Morasso</surname> <given-names>P.</given-names></name> <name><surname>Polit</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1978</year>). <article-title>Effect of load disturbances during centrally initiated movements</article-title>. <source>J. Neurophysiol.</source> <volume>41</volume>, <fpage>542</fpage>.<pub-id pub-id-type="pmid">96221</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Breakspear</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Jirsa</surname> <given-names>V.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>&#x0201C;Neuronal dynamics and brain connectivity,&#x0201D;</article-title> in <source>Handbook of Brain Connectivity, Volume 12 of Understanding Complex Systems</source>, eds <person-group person-group-type="editor"><name><surname>Jirsa</surname> <given-names>V.</given-names></name> <name><surname>McIntosh</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<publisher-loc>Berlin</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name>), <fpage>3</fpage>&#x02013;<lpage>64</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B5"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chiel</surname> <given-names>H.</given-names></name> <name><surname>Beer</surname> <given-names>R.</given-names></name></person-group> (<year>1997</year>). <article-title>The brain has a body: adaptive behavior emerges from interactions of nervous system, body and environment</article-title>. <source>Trends Neurosci.</source> <volume>20</volume>, <fpage>553</fpage>&#x02013;<lpage>557</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0166-2236(97)01149-1</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9416664</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Conforto</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Bernabucci</surname> <given-names>I.</given-names></name> <name><surname>Severini</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Schmid</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>D&#x02019;Alessio</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Biologically inspired modelling for the control of upper limb movements: from concept studies to future applications</article-title>. <source>Front. Neurorobotics</source> <volume>3</volume>:<fpage>3</fpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.3389/neuro.12.003.2009</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Craig</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>1989</year>). <source>Introduction to Robotics: Mechanics and Control</source>, Vol. <volume>74</volume>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Addison-Wesley</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B8"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dhooge</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>Govaerts</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>Kuznetsov</surname> <given-names>Y.</given-names></name> <name><surname>Mestrom</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>Riet</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>&#x0201C;CL_MATCONT: a continuation toolbox in matlab,&#x0201D;</article-title> in <source>Proceedings of the 2003 ACM Symposium on Applied Computing</source>, <publisher-loc>New York</publisher-loc>, <fpage>161</fpage>&#x02013;<lpage>166</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B9"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Erdemir</surname> <given-names>A.</given-names></name> <name><surname>McLean</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Herzog</surname> <given-names>W.</given-names></name> <name><surname>van den Bogert</surname> <given-names>A. J.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Model-based estimation of muscle forces exerted during movements</article-title>. <source>Clin. Biomech. (Bristol, Avon)</source> <volume>22</volume>, <fpage>131</fpage>&#x02013;<lpage>154</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.clinbiomech.2006.09.005</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17070969</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Feldman</surname> <given-names>A.</given-names></name></person-group> (<year>1966</year>). <article-title>Functional tuning of the nervous system with control of movement or maintenance of a steady posture. II. Controllable parameters of the muscle</article-title>. <source>Biophysics</source> <volume>11</volume>, <fpage>565</fpage>&#x02013;<lpage>578</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B11"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Feldman</surname> <given-names>A. G.</given-names></name> <name><surname>Latash</surname> <given-names>M. L.</given-names></name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Testing hypotheses and the advancement of science: recent attempts to falsify the equilibrium point hypothesis</article-title>. <source>Exp. Brain Res.</source> <volume>161</volume>, <fpage>91</fpage>&#x02013;<lpage>103</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00221-004-2049-0</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15490137</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Feldman</surname> <given-names>A. G.</given-names></name> <name><surname>Levin</surname> <given-names>M. F.</given-names></name></person-group> (<year>1995</year>). <article-title>The origin and use of positional frames of reference in motor control</article-title>. <source>Behav. Brain Sci.</source> <volume>18</volume>, <fpage>723</fpage>&#x02013;<lpage>744</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S0140525X0004070X</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gribble</surname> <given-names>P. L.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Role of cocontraction in arm movement accuracy</article-title>. <source>J. Neurophysiol.</source> <volume>89</volume>, <fpage>2396</fpage>&#x02013;<lpage>2405</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jn.01020.2002</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12611935</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gribble</surname> <given-names>P. L.</given-names></name> <name><surname>Ostry</surname> <given-names>D. J.</given-names></name></person-group> (<year>1999</year>). <article-title>Compensation for interaction torques during single-and multijoint limb movement</article-title>. <source>J. Neurophysiol.</source> <volume>82</volume>, <fpage>2310</fpage>.<pub-id pub-id-type="pmid">10561408</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15"><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Grieve</surname> <given-names>D. W.</given-names></name> <name><surname>Pheasant</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Cavanagh</surname> <given-names>P. R.</given-names></name></person-group> (<year>1978</year>). <article-title>&#x0201C;Prediction of gastrocnemius length from knee and ankle joint posture,&#x0201D;</article-title> in <conf-name>Biomechanics VI: Proceedings of the Sixth International Congress of Biomechanics</conf-name> (<conf-loc>Copenhagen</conf-loc>: <conf-sponsor>University Park Press</conf-sponsor>), <fpage>405</fpage>.</citation></ref>
<ref id="B16"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Harischandra</surname> <given-names>N.</given-names></name> <name><surname>Cabelguen</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Ekeberg</surname> <given-names>O.</given-names></name></person-group> (<year>2010</year>). <article-title>A 3D Musculo-Mechanical model of the salamander for the study of different gaits and modes of locomotion</article-title>. <source>Front. Neurorobotics.</source> <volume>4</volume>:<fpage>112</fpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fnbot.2010.00112</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hill</surname> <given-names>A. V.</given-names></name></person-group> (<year>1938</year>). <article-title>The heat of shortening and the dynamic constants of muscle</article-title>. <source>Proc. R. Soc. Lond. B Biol. Sci.</source> <volume>126</volume>, <fpage>136</fpage>&#x02013;<lpage>195</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspb.1938.0050</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kelso</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Holt</surname> <given-names>K.</given-names></name></person-group> (<year>1980</year>). <article-title>Exploring a vibratory systems analysis of human movement production</article-title>. <source>J. Neurophysiol.</source> <volume>43</volume>, <fpage>1183</fpage>.<pub-id pub-id-type="pmid">7373360</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lametti</surname> <given-names>D. R.</given-names></name> <name><surname>Houle</surname> <given-names>G.</given-names></name> <name><surname>Ostry</surname> <given-names>D. J.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Control of movement variability and the regulation of limb impedance</article-title>. <source>J. Neurophysiol.</source> <volume>98</volume>, <fpage>3516</fpage>&#x02013;<lpage>3524</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1152/jn.00970.2007</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17913978</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Milner</surname> <given-names>T.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Adaptation to destabilizing dynamics by means of muscle cocontraction</article-title>. <source>Exp. Brain Res.</source> <volume>143</volume>, <fpage>406</fpage>&#x02013;<lpage>416</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00221-002-1001-4</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11914785</pub-id></citation></ref>
<ref id="B21"><citation citation-type="confproc"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Milner</surname> <given-names>T. E.</given-names></name> <name><surname>Cloutier</surname> <given-names>C.</given-names></name></person-group> (<year>1995</year>). <article-title>&#x0201C;The effect of antagonist muscle co-contraction on damping of the wrist joint during voluntary movement,&#x0201D;</article-title> in <conf-name>IEEE 17th Annual Conference Engineering in Medicine and Biology Society</conf-name>, <conf-name>New York</conf-name>, Vol. <volume>2</volume>.</citation></ref>
<ref id="B22"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Neilson</surname> <given-names>P. D.</given-names></name> <name><surname>Neilson</surname> <given-names>M. D.</given-names></name></person-group> (<year>2005</year>). <article-title>An overview of adaptive model theory: solving the problems of redundancy, resources, and nonlinear interactions in human movement control</article-title>. <source>J. Neural Eng.</source> <volume>2</volume>:<fpage>S279</fpage>&#x02013;<lpage>312</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1741-2560/2/3/S10</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16135890</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Otten</surname> <given-names>E.</given-names></name></person-group> (<year>2003</year>). <article-title>Inverse and forward dynamics: models of multi-body systems</article-title>. <source>Philos. Trans. R Soc. Lond. B Biol. Sci.</source> <volume>358</volume>, <fpage>1493</fpage>&#x02013;<lpage>1500</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rstb.2003.1354</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">14561340</pub-id></citation></ref>
<ref id="B24"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pandy</surname> <given-names>M. G.</given-names></name></person-group> (<year>2001</year>). <article-title>Computer modeling and simulation of human movement</article-title>. <source>Annu. Rev. Biomed. Eng.</source> <volume>3</volume>, <fpage>245</fpage>&#x02013;<lpage>273</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1146/annurev.bioeng.3.1.245</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11447064</pub-id></citation></ref>
<ref id="B25"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Schmidt</surname> <given-names>R.</given-names></name> <name><surname>McGown</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Quinn</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Hawkins</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>1986</year>). <article-title>Unexpected inertial loading in rapid reversal movements: violations of equifinality</article-title>. <source>Hum. Mov. Sci.</source> <volume>5</volume>, <fpage>263</fpage>&#x02013;<lpage>273</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0167-9457(86)90031-X</pub-id></citation></ref>
<ref id="B26"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Spong</surname> <given-names>M.</given-names></name> <name><surname>Hutchinson</surname> <given-names>S.</given-names></name> <name><surname>Vidyasagar</surname> <given-names>M.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <source>Robot Modeling and Control</source>. <publisher-loc>Hoboken, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley &#x00026; Sons</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B27"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Strogatz</surname> <given-names>S.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <source>Nonlinear Dynamics and Chaos: With Applications to Physics, Biology, Chemistry, and Engineering</source>. <publisher-loc>Boulder</publisher-loc>: <publisher-name>Westview Press</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B28"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Todorov</surname> <given-names>E.</given-names></name></person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Direct cortical control of muscle activation in voluntary arm movements: a model</article-title>. <source>Nat. Neurosci.</source> <volume>3</volume>, <fpage>391</fpage>&#x02013;<lpage>398</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1038/79886</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">10725930</pub-id></citation></ref>
<ref id="B29"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Todorov</surname> <given-names>E.</given-names></name></person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Optimality principles in sensorimotor control (review)</article-title>. <source>Nat. Neurosci.</source> <volume>7</volume>, <fpage>907</fpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nn1309</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15332089</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Westervelt</surname> <given-names>E.</given-names></name> <name><surname>Grizzle</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Chevallereau</surname> <given-names>C.</given-names></name> <name><surname>Choi</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Morris</surname> <given-names>B.</given-names></name></person-group> (<year>2007</year>). <source>Feedback Control of Dynamic Bipedal Robot Locomotion</source>. <publisher-loc>Boca Raton</publisher-loc>: <publisher-name>CRC Press</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B31"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Winter</surname> <given-names>D. A.</given-names></name></person-group> (<year>2005</year>). <source>Biomechanics and Motor Control of Human Movement</source>, <edition>3rd Edn.</edition> <publisher-loc>Hoboken, NJ</publisher-loc>: <publisher-name>John Wiley &#x00026; Sons</publisher-name>.</citation></ref>
<ref id="B32"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Winters</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Stark</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>1985</year>). <article-title>Analysis of fundamental human movement patterns through the use of in-depth antagonistic muscle models</article-title>. <source>IEEE Trans. Biomed. Eng.</source> <fpage>826</fpage>&#x02013;<lpage>839</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TBME.1985.325498</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">4054926</pub-id></citation></ref>
<ref id="B33"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Winters</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Stark</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>1987</year>). <article-title>Muscle models: what is gained and what is lost by varying model complexity</article-title>. <source>Biol. Cybern.</source> <volume>55</volume>, <fpage>403</fpage>&#x02013;<lpage>420</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00318375</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">3567243</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Winters</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Stark</surname> <given-names>L.</given-names></name></person-group> (<year>1988</year>). <article-title>Estimated mechanical properties of synergistic muscles involved in movements of a variety of humans joints</article-title>. <source>J. Biomech.</source> <volume>21</volume>, <fpage>1027</fpage>&#x02013;<lpage>1041</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0021-9290(88)90249-7</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">2577949</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Winters</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Stark</surname> <given-names>L.</given-names></name> <name><surname>Seif-Naraghi</surname> <given-names>A. H.</given-names></name></person-group> (<year>1988</year>). <article-title>An analysis of the sources of musculoskeletal system impedance</article-title>. <source>J. Biomech.</source> <volume>21</volume>, <fpage>1011</fpage>&#x02013;<lpage>1025</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0021-9290(88)90249-7</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">2577948</pub-id></citation></ref>
<ref id="B36"><citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zajac</surname> <given-names>F.</given-names></name> <name><surname>Winters</surname> <given-names>J.</given-names></name></person-group> (<year>1990</year>). <article-title>&#x0201C;Modeling musculoskeletal movement systems: joint and body segmental dynamics, musculoskeletal actuation, and neuromuscular control,&#x0201D;</article-title> <source>Multiple Muscle Systems: Biomechanics and Movement Organization</source> (<publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Springer-Verlag</publisher-name>), <fpage>121</fpage>&#x02013;<lpage>148</lpage>.</citation></ref>
<ref id="B37"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zajac</surname> <given-names>F. E.</given-names></name></person-group> (<year>1989</year>). <article-title>Muscle and tendon: properties, models, scaling, and application to biomechanics and motor control</article-title>. <source>Crit. Rev. Biomed. Eng.</source> <volume>17</volume>, <fpage>359</fpage>&#x02013;<lpage>411</lpage>.<pub-id pub-id-type="pmid">2676342</pub-id></citation></ref>
<ref id="B38"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zakotnik</surname> <given-names>J.</given-names></name> <name><surname>Matheson</surname> <given-names>T.</given-names></name> <name><surname>Durr</surname> <given-names>V.</given-names></name></person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Co-Contraction and passive forces facilitate load compensation of aimed limb movements</article-title>. <source>J. Neurosci.</source> <volume>26</volume>, <fpage>4995</fpage>&#x02013;<lpage>5007</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1523/JNEUROSCI.0161-06.2006</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16687491</pub-id></citation></ref>
<ref id="B39"><citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Safak</surname> <given-names>K.</given-names></name> <name><surname>Adams</surname> <given-names>G.</given-names></name></person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Modeling and simulation of an artificial muscle and its application to biomimetic robot posture control</article-title>. <source>Rob. Auton. Syst.</source> <volume>41</volume>, <fpage>225</fpage>&#x02013;<lpage>243</lpage>.<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0921-8890(02)00293-2</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn id="fn1"><p><sup>1</sup>LifeMOD is a registered trademark of Biomechanics Research Group, Inc.</p></fn>
<fn id="fn2"><p><sup>2</sup>The M<sc>atlab</sc> source code is available from the authors on request. M<sc>atlab</sc> is a registered trademark of The Mathworks, Inc.</p></fn>
</fn-group>
</back>
</article>
