โครงสร้างกล้ามเนื้อคือการจัดเรียงทางกายภาพของเส้นใยกล้ามเนื้อในระดับมหภาคซึ่งกำหนด หน้าที่เชิงกล ของกล้ามเนื้อมีโครงสร้างกล้ามเนื้อหลายประเภท ได้แก่ แบบขนาน แบบเพนเนต และแบบไฮโดรสแตท การสร้างแรงและการส่งกำลังจะแตกต่างกันไปตามพารามิเตอร์ของกล้ามเนื้อต่างๆ เช่น ความยาวของกล้ามเนื้อ ความยาวของเส้นใย มุมเพนเนต และพื้นที่หน้าตัดทางสรีรวิทยา (PCSA) ^{[ 1 ]}

แบบขนานและแบบขนนก (หรือที่เรียกว่าแบบขนนก) เป็นสถาปัตยกรรมของกล้ามเนื้อสองประเภทหลัก นอกจากนี้ยังสามารถพิจารณาประเภทย่อยที่สามคือไฮโดรสแตทของกล้ามเนื้อได้อีกด้วย ประเภทของสถาปัตยกรรมถูกกำหนดโดยทิศทางที่เส้นใยกล้ามเนื้อวางตัวสัมพันธ์กับแกนที่สร้างแรง แรงที่ผลิตโดยกล้ามเนื้อที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนกับพื้นที่หน้าตัด หรือจำนวนของซาร์โคเมียร์แบบขนานที่มีอยู่^{[ 2 ]}

โครงสร้างกล้ามเนื้อแบบขนานพบได้ในกล้ามเนื้อที่เส้นใยขนานกับแกนที่สร้างแรง^{[ 1 ]}กล้ามเนื้อเหล่านี้มักใช้สำหรับการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วหรือกว้างขวาง และสามารถวัดได้จากพื้นที่หน้าตัดทางกายวิภาค (ACSA) ^{[ 3 ]}กล้ามเนื้อแบบขนานสามารถจำแนกเพิ่มเติมได้เป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่ แบบสายรัด แบบรูปทรงกระสวย หรือแบบรูปพัด

กล้ามเนื้อแบบสายรัดมีรูปร่างคล้ายสายรัดหรือเข็มขัด และมีเส้นใยที่วิ่งตามแนวยาวไปตามทิศทางการหดตัว^{[ 4 ]}กล้ามเนื้อเหล่านี้มีจุดยึดที่กว้างเมื่อเทียบกับกล้ามเนื้อประเภทอื่น และสามารถหดตัวได้ประมาณ 40–60% ของความยาวขณะพัก^{[ 3 ] [ 4 ]}กล้ามเนื้อแบบสายรัด เช่นกล้ามเนื้อกล่องเสียงเชื่อกันว่าควบคุมความถี่พื้นฐานที่ใช้ในการผลิตเสียงพูด รวมถึงการร้องเพลง^{[ 5 ]}อีกตัวอย่างหนึ่งของกล้ามเนื้อนี้คือกล้ามเนื้อที่ยาวที่สุดในร่างกายมนุษย์ คือ กล้ามเนื้อซาร์โทเรียส

กล้ามเนื้อรูปทรงกระสวยมีลักษณะกว้างและเป็นรูปทรงกระบอกตรงกลางและเรียวลงที่ปลายทั้งสองข้าง รูปร่างโดยรวมของกล้ามเนื้อรูปทรงกระสวยนี้มักเรียกว่ารูปทรงกระสวย แนวการทำงานของกล้ามเนื้อประเภทนี้จะวิ่งเป็นเส้นตรงระหว่างจุดยึดซึ่งมักจะเป็นเอ็น เนื่องจากรูปร่างดังกล่าว แรงที่เกิดจากกล้ามเนื้อรูปทรงกระสวยจึงกระจุกตัวอยู่ในพื้นที่เล็กๆ^{[ 3 ]}ตัวอย่างของโครงสร้างประเภทนี้คือกล้ามเนื้อไบเซปส์ เบรคิไอในมนุษย์

เส้นใยในกล้ามเนื้อแบบบรรจบกันหรือแบบสามเหลี่ยมจะบรรจบกันที่ปลายด้านหนึ่ง (โดยทั่วไปคือที่เอ็น) และกระจายออกไปเป็นบริเวณกว้างที่ปลายอีกด้านหนึ่งในรูปทรงพัด^{[ 3 ] [ 6 ]} กล้ามเนื้อแบบบรรจบกัน เช่น กล้ามเนื้อหน้าอกใหญ่ในมนุษย์ มีแรงดึงที่จุดยึดอ่อนกว่าเมื่อเทียบกับเส้นใยขนานอื่นๆ เนื่องจากลักษณะที่กว้างของมัน กล้ามเนื้อเหล่านี้ถือว่ามีความอเนกประสงค์เนื่องจากความสามารถในการเปลี่ยนทิศทางของแรงดึงขึ้นอยู่กับการหดตัวของเส้นใย^{[ 3 ]}

โดยทั่วไป กล้ามเนื้อที่บรรจบกันจะประสบกับความเครียดของเส้นใยในระดับที่แตกต่างกัน ซึ่งส่วนใหญ่เกิดจากความยาวที่แตกต่างกันและจุดยึดที่แตกต่างกันของเส้นใยกล้ามเนื้อ การศึกษาเกี่ยวกับปลาหนูได้พิจารณาถึงความเครียดในกล้ามเนื้อเหล่านี้ที่มีเอ็นบิด พบว่าความเครียดจะสม่ำเสมอทั่วพื้นผิวของกล้ามเนื้อที่บรรจบกันเมื่อมีเอ็นบิด^{[ 7 ]}

ต่างจากกล้ามเนื้อแบบขนาน เส้นใยในกล้ามเนื้อแบบเพนเนตจะทำมุมกับแกนสร้างแรง (มุมเพนเนต) และมักจะยึดติดกับเอ็นกลาง^{[ 3 ] [ 8 ]}เนื่องจากโครงสร้างนี้ จึงพบซาร์โคเมียร์ น้อยลงในอนุกรม ส่งผลให้ความยาวของเส้นใยสั้นลง ^{[ 2 ] [ 3 ]}ซึ่งทำให้มีเส้นใยมากขึ้นในกล้ามเนื้อที่กำหนด อย่างไรก็ตาม มีความสมดุลระหว่างจำนวนเส้นใยที่มีอยู่และการส่งผ่านแรง^{[ 3 ] [ 8 ]}แรงที่ผลิตโดยกล้ามเนื้อแบบเพนเนตจะมากกว่าแรงที่ผลิตโดยกล้ามเนื้อแบบขนาน^{[ 3 ]}เนื่องจากเส้นใยเพนเนตยึดติดในมุม พื้นที่หน้าตัดทางกายวิภาคจึงไม่สามารถใช้ได้เหมือนในกล้ามเนื้อที่มีเส้นใยแบบขนาน แต่ ต้องใช้ พื้นที่หน้าตัดทางสรีรวิทยา (PCSA) สำหรับกล้ามเนื้อแบบเพนเนต กล้ามเนื้อแบบเพนเนตสามารถแบ่งออกเป็นแบบเพนเนตเดี่ยว เพนเนตคู่ หรือเพนเนตหลายอันได้อีก

กล้ามเนื้อแบบยูนิเพนเนตคือกล้ามเนื้อที่เส้นใยกล้ามเนื้อเรียงตัวทำมุมกับแกนสร้างแรงเพียงมุมเดียว และอยู่ด้านเดียวกันของเอ็น^{[ 1 ]}มุมเพนเนชันในกล้ามเนื้อแบบยูนิเพนเนตได้รับการวัดที่ความยาวขณะพักหลายค่า และโดยทั่วไปจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 0° ถึง 30° ^{[ 1 ]}กล้ามเนื้อน่องด้านข้างเป็นตัวอย่างของโครงสร้างกล้ามเนื้อแบบนี้

กล้ามเนื้อที่มีเส้นใยอยู่สองด้านของเอ็นถือเป็นกล้ามเนื้อไบเพนเนต^{[ 1 ]}กล้ามเนื้อสเตปิเดียสในหูชั้นกลางของมนุษย์ รวมถึงกล้ามเนื้อเรคตัสเฟโมริสของกล้ามเนื้อควอดริเซปส์ เป็นตัวอย่างของกล้ามเนื้อไบเพนเนต

กลุ่มย่อยเพนเนตประเภทที่สามเรียกว่าสถาปัตยกรรมมัลติเพนเนต กล้ามเนื้อเหล่านี้ เช่น กล้ามเนื้อ เดลทอยด์ที่ไหล่ของมนุษย์ มีเส้นใยที่วางตัวเป็นมุมหลายมุมตามแกนที่สร้างแรง^{[ 1 ]}

ไฮโดรสแตทของกล้ามเนื้อทำงานอย่างอิสระจากระบบโครงกระดูกที่แข็งตัว โดยทั่วไปไฮโดรสแตทของกล้ามเนื้อจะได้รับการรองรับโดยเยื่อเนื้อเยื่อเกี่ยวพันซึ่งรักษาระดับปริมาตรให้คงที่ การรักษาระดับปริมาตรให้คงที่ช่วยให้เส้นใยกล้ามเนื้อสามารถทำให้โครงสร้างของกล้ามเนื้อมีความเสถียร ซึ่งหากไม่เป็นเช่นนั้นจะต้องอาศัยการรองรับ จากโครงกระดูก ^{[ 9 ]}เส้นใยกล้ามเนื้อจะเปลี่ยนรูปร่างของกล้ามเนื้อโดยการหดตัวตามแนวเส้นการทำงานทั่วไปสามเส้นที่สัมพันธ์กับแกนยาว ได้แก่ แนวขนาน แนวตั้งฉาก และแนวเกลียว การหดตัวเหล่านี้สามารถใช้หรือต้านทานแรงกดต่อโครงสร้างโดยรวมได้^{[ 10 ]}ความสมดุลของแรงกดและแรงต้านทานที่ประสานกันตามแนวเส้นการทำงานทั้งสามเส้น ช่วยให้กล้ามเนื้อสามารถเคลื่อนไหวได้หลากหลายและซับซ้อน^{[ 10 ]}

การหดตัวของเส้นใยเกลียวทำให้เกิดการยืดและหดของไฮโดรสแตท การหดตัวด้านเดียวของกล้ามเนื้อเหล่านี้สามารถทำให้เกิดการเคลื่อนไหวแบบโค้งงอได้ เส้นใยเกลียวสามารถเรียงตัวเป็นแบบซ้ายหรือขวาก็ได้ การหดตัวของเส้นใยตั้งฉากทำให้เกิดการบิดหรือการบิดตัวของไฮโดรสแตท

โครงสร้างของกล้ามเนื้อส่งผลโดยตรงต่อการสร้างแรงผ่านปริมาตรของกล้ามเนื้อ ความยาวของเส้นใย ชนิดของเส้นใย และมุมการเรียงตัวของเส้นใย

ปริมาตรของกล้ามเนื้อถูกกำหนดโดยพื้นที่หน้าตัด พื้นที่หน้าตัดทางกายวิภาคคือ

${\displaystyle CSA={\frac {V}{l}}}$

ที่ไหน

• ${\displaystyle \textstyle V}$ย่อมาจากปริมาตร
• ${\displaystyle \textstyle l}$ย่อมาจากความยาว

ในกล้ามเนื้อ การวัดพื้นที่หน้าตัดที่แม่นยำกว่าคือ พื้นที่หน้าตัดทางสรีรวิทยา (PCSA) ซึ่งคำนึงถึงมุมของเส้นใยด้วย

${\displaystyle PCSA={\frac {m\cdot \cos \theta }{l\cdot \rho }}}$

ที่ไหน

• ${\displaystyle \textstyle m}$หมายถึงมวลกล้ามเนื้อ
• ${\displaystyle \textstyle \theta }$หมายถึงมุมไฟเบอร์
• ${\displaystyle \textstyle l}$ย่อมาจากความยาวของเส้นใย
• ${\displaystyle \textstyle \rho }$หมายถึงความหนาแน่นของกล้ามเนื้อ

PCSA เชื่อมโยงแรงที่ผลิตโดยกล้ามเนื้อกับผลรวมของแรงที่เกิดขึ้นตามแกนสร้างแรงของเส้นใยกล้ามเนื้อแต่ละเส้น และส่วนใหญ่กำหนดโดยมุมเพนเนชั่น^{[ 3 ] [ 8 ]}

ความยาวของเส้นใยกล้ามเนื้อเป็นตัวแปรสำคัญในกายวิภาคของกล้ามเนื้อเช่นกัน ความยาวของเส้นใยเป็นผลคูณของจำนวนซาร์โคเมียร์ที่เรียงกันในเส้นใยและความยาวของซาร์โคเมียร์แต่ละตัว เมื่อเส้นใยเปลี่ยนความยาว ซาร์โคเมียร์แต่ละตัวจะสั้นลงหรือยาวขึ้น แต่จำนวนรวมจะไม่เปลี่ยนแปลง (ยกเว้นในช่วงเวลาที่ยาวนานหลังจากการออกกำลังกายและการปรับสภาพ) เพื่อให้ได้ความยาวของเส้นใยที่เป็นมาตรฐาน ความยาวจะถูกวัดที่จุดสูงสุดของความสัมพันธ์ระหว่างความยาวและแรงตึง (L0) เพื่อให้แน่ใจว่าซาร์โคเมียร์ทั้งหมดมีความยาวเท่ากัน ความยาวของเส้นใย (ที่ L0) ไม่ส่งผลต่อการสร้างแรง เช่นเดียวกับความแข็งแรงของโซ่ที่ไม่ได้รับผลกระทบจากความยาว ในทำนองเดียวกัน การเพิ่มพื้นที่หน้าตัดของเส้นใยหรือการมีเส้นใยหลายเส้นจะเพิ่มแรง เช่นเดียวกับการมีโซ่หลายเส้นขนานกัน ความเร็วจะได้รับผลกระทบในทางตรงกันข้าม เนื่องจากซาร์โคเมียร์จะสั้นลงในอัตราส่วนร้อยละต่อวินาทีภายใต้แรงที่กำหนด เส้นใยที่มีซาร์โคเมียร์มากกว่าจะมีค่าความเร็วสัมบูรณ์ (แต่ไม่ใช่ความเร็วสัมพัทธ์) ที่สูงกว่า^{[ 11 ]}กล้ามเนื้อที่มีเส้นใยสั้นจะมี PCSA ต่อหน่วยมวลกล้ามเนื้อสูงกว่า ดังนั้นจึงสร้างแรงได้มากกว่า ในขณะที่กล้ามเนื้อที่มีเส้นใยยาวจะมี PCSA ต่อหน่วยมวลกล้ามเนื้อต่ำกว่า ดังนั้นจึงสร้างแรงได้น้อยกว่า อย่างไรก็ตาม กล้ามเนื้อที่มีเส้นใยยาวกว่าจะหดตัวด้วยความเร็วสัมบูรณ์ที่มากกว่ากล้ามเนื้อที่คล้ายกันแต่มีเส้นใยสั้นกว่า^{[ 2 ]}

ชนิดของเส้นใยกล้ามเนื้อมีความสัมพันธ์กับการสร้างแรง เส้นใยชนิดที่ 1 เป็นแบบออกซิเดทีฟช้า มีแรงเพิ่มขึ้นช้า และโดยรวมแล้วสร้างแรงได้น้อย เส้นใยชนิดที่ 1 มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าและมีการหดตัวช้า เส้นใยชนิดที่ 2a เป็นแบบออกซิเดทีฟเร็ว มีการหดตัวเร็วและแรงเพิ่มขึ้นเร็ว เส้นใยเหล่านี้มีเวลาในการหดตัวเร็วและรักษาแรงสร้างได้บ้าง แม้จะไม่มากนักเมื่อทำกิจกรรมซ้ำๆ เนื่องจากมีความทนทานต่อความเหนื่อยล้าปานกลาง เส้นใยชนิดที่ 2b เป็นแบบไกลโคไลติกเร็ว มีการหดตัวเร็วและแรงเพิ่มขึ้นเร็วเช่นกัน เส้นใยเหล่านี้สร้างแรงได้มาก แต่เหนื่อยล้าง่าย จึงไม่สามารถรักษาแรงสร้างได้นานเกินกว่าสองสามครั้งโดยไม่พัก

มุมเพนเนชั่นคือมุมระหว่างแกนตามยาวของกล้ามเนื้อทั้งหมดกับเส้นใย แกนตามยาวเป็นแกนที่สร้างแรงของกล้ามเนื้อ และเส้นใยเพนเนตจะวางตัวเป็นมุมเฉียง เมื่อแรงตึงในเส้นใยกล้ามเนื้อเพิ่มขึ้น มุมเพนเนชั่นก็จะเพิ่มขึ้นด้วย มุมเพนเนชั่นที่มากขึ้นส่งผลให้แรงที่ส่งไปยังเอ็นลดลง^{[ 9 ]}

โครงสร้างของกล้ามเนื้อมีผลต่อความสัมพันธ์ระหว่างแรงและความเร็ว องค์ประกอบของความสัมพันธ์นี้ได้แก่ ความยาวของเส้นใย จำนวนซาร์โคเมียร์ และมุมเพนเนชัน ตัวอย่างเช่น ในกล้ามเนื้อเพนเนต เมื่อเส้นใยสั้นลง มุมเพนเนชันจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากเส้นใยหมุน ซึ่งส่งผลต่อปริมาณแรงที่เกิดขึ้น^{[ 2 ]}

อัตราส่วนเกียร์ทางสถาปัตยกรรม (AGR) เกี่ยวข้องกับความเร็วในการหดตัวของกล้ามเนื้อทั้งหมดกับความเร็วในการหดตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อแต่ละเส้น AGR ถูกกำหนดโดยความต้องการทางกลของกล้ามเนื้อในระหว่างการเคลื่อนไหว การเปลี่ยนแปลงในมุมเพนเนชั่นช่วยให้เกิดเกียร์แปรผันในกล้ามเนื้อเพนเนต^{[ 12 ]}มุมเพนเนชั่นที่แปรผันยังส่งผลต่อรูปทรงเรขาคณิตของกล้ามเนื้อทั้งหมดในระหว่างการหดตัว ระดับการหมุนของเส้นใยกำหนดพื้นที่หน้าตัดในระหว่างการเคลื่อนไหว ซึ่งอาจส่งผลให้ความหนาหรือความกว้างของกล้ามเนื้อเพิ่มขึ้น^{[ 12 ]}มุมเพนเนชั่นสามารถปรับเปลี่ยนได้ผ่านการแทรกแซงการออกกำลังกาย^{[ 13 ]}

อัตราทดเกียร์สูงเกิดขึ้นเมื่อความเร็วในการหดตัวของกล้ามเนื้อทั้งหมดมากกว่าความเร็วในการหดตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อแต่ละเส้นอย่างมาก ส่งผลให้อัตราทดเกียร์มากกว่า 1 อัตราทดเกียร์สูงจะทำให้การหดตัวของกล้ามเนื้อทั้งหมดมีแรงต่ำและความเร็วสูง มุมการเรียงตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อจะเพิ่มขึ้นระหว่างการหดตัว พร้อมกับการเพิ่มขึ้นของความหนา ความหนาหมายถึงพื้นที่ระหว่างเอ็นของกล้ามเนื้อ อัตราทดเกียร์ต่ำเกิดขึ้นเมื่อความเร็วในการหดตัวของกล้ามเนื้อทั้งหมดและเส้นใยแต่ละเส้นใกล้เคียงกัน ส่งผลให้อัตราทดเกียร์เท่ากับ 1 สภาวะที่ส่งผลให้เกิดอัตราทดเกียร์ต่ำ ได้แก่ การหดตัวของกล้ามเนื้อทั้งหมดที่มีแรงสูงและความเร็วต่ำ มุมการเรียงตัวของเส้นใยกล้ามเนื้อโดยทั่วไปจะมีการเปลี่ยนแปลงน้อย ความหนาของกล้ามเนื้อจะลดลง