Biomecànica: el cos humà com a mecanisme
1992/06/01 Pagaldai, Juanma | Arrieta, Mari Karmen Iturria: Elhuyar aldizkaria
La paraula biomecànica sembla parlar de ciència mèdica. Això no està del tot equivocat, però el paper de l'enginyeria en biomecànica és tan important com el de la medicina.
La paraula biomecànica, com altres paraules que utilitza la ciència, té el seu origen en el grec i significa mecànica dels vius. No obstant això, en utilitzar aquesta paraula ens referim normalment a la mecànica del cos humà. És a dir, la biomecànica investiga el moviment del cos humà.
Sens dubte, una de les funcions del cos humà és el moviment. Quant al moviment, el cos humà està format per una sèrie d'elements entre els quals el moviment relatiu és el que dóna al cos la seva pròpia mobilitat. I a més, aquest moviment sempre té una estructura similar: dues parts diferents estan unides per una articulació que permet realitzar un o diversos girs relatius entre totes dues parts. Per exemple, el nostre genoll fa possible un sol gir entre la cuixa i la cama. La nina permet dos girs entre el braç i la mà.
Així, des del punt de vista del moviment, podem dir que el cos humà és un mecanisme.
Com a mecanisme podem dir que el cos humà té una estructura o estructura ramificada de l'arbre. Això vol dir que l'estructura mecànica del cos té el centre o element principal del qual salin els elements secundaris, dels quals són terciaris, etc. En el nostre cas l'element principal és el tors, els braços secundaris, les cames i el cap, i els dits i els dits de la tercera.
A més de l'avantatge de la biomecànica, sempre es tracta d'analitzar el mateix mecanisme, ja que tots els cossos tenen la mateixa estructura vesteixi com a mecanisme. L'única cosa que canvia de persona a persona és la mesura.
El corredor de barrera, saltador d'altura, ciclista i astronauta que veieu en la imatge estan calculats amb el mateix model.
En el dibuix podeu veure el model inventat en el CEIT de Donostia per a investigar el moviment del cos humà. S'han utilitzat 21 punts i 18 vectors per a definir la posició del model, completant el model de 117 coordenades. Una vegada formades les relacions necessàries entre aquestes coordenades, el model presenta 40 graus de llibertat o moviment independent.
Des del punt de vista de la recerca, la biomecànica presenta notables diferències amb altres àrees de la mecànica. Els moviments que apareixen en altres àrees de la mecànica són moviments realitzats per la màquina, que podem denominar artificials. Per això no és difícil repetir aquest moviment en l'ordinador.
Les coses no estan tan definides quant al cos humà. Els moviments en la naturalesa són el resultat de molts anys d'evolució i repetir amb una fórmula és gairebé impossible. Per tant, cal buscar una altra manera d'estudiar el moviment.
L'únic lloc on podem buscar els moviments del cos humà és el cos humà. I si volem ser exactes, els moviments d'un cos només estan en aquest cos perquè els moviments d'una persona i d'una altra són diferents.
Com es veu, l'única possibilitat d'analitzar el moviment d'una persona és mesurar o copiar aquests moviments de la realitat. I això és el que es fa.
Per a mesurar el moviment, normalment es prenen les imatges amb dues o tres càmeres. El primer que es roda és la referència per a determinar la posició d'una càmera respecte a les altres.
Una vegada fet això, es roda amb totes les càmeres que tenim moviment. Les imatges filmades s'inclouen en el vídeo. Quan la imatge del vídeo apareix en pantalla, les coordenades dels punts més importants es mesuren amb xagua. Cal tenir en compte que un punt té tres coordenades en l'espai i que en la imatge que apareix en la pantalla, com és launa, només podem mesurar dues coordenades. Necessitem almenys dues cambres per a calcular aquestes tres coordenades. No obstant això, tenir més cambres és bo per a reduir els errors. Aquesta presa de dades en pantalla es denomina digitalització, i en la majoria dels casos és el pas més pesat del procés. Moltes vegades s'han fet esforços perquè aquest pas sigui automàtic, però els resultats obtinguts no són molt bons.
Aquestes dades preses, a pesar que el procés es realitza amb molta cura, solen tenir errors i és necessari filtrar-los per a descartar diferències que generen errors en les dades utilitzant tècniques matemàtiques.
Després de tot això, les dades del moviment estan llestos perquè el nostre model repeteixi el moviment mesurat. I si les dades mesurades estan ben mesurats, el moviment del nostre model serà totalment natural. A la foto podeu veure al corredor de barrera realitzant un salt gairebé perfecte. Les dades filmades són els d'un campió mundial.
Aquest treball no es realitza perquè el moviment tingui una aparença de naturalitat, sinó perquè sigui un moviment real, perquè d'aquest estudi volem extreure dades reals. Per exemple, per a millorar el moviment d'un runner. Prenent com a exemple el nostre corredor de barrera, se sap que els moviments verticals, encara que necessiten energia, no són útils per a córrer més ràpid. Si veiem el moviment del cap del corredor a la foto, sembla que el corredor coneix d'alguna manera aquesta llei, ja que el seu cap porta un camí totalment horitzontal.
Encara que normalment no és així, alguns esports poden tenir moviments bastant simples i repetitius, i en aquests casos poden ser simulats en l'ordinador sense filmar.
Un d'ells és el ciclisme. El moviment que es realitza per a pedalar és simple i sempre igual. A la vista d'això, en el cas que es mostra en la imatge, la qual cosa s'ha fet ha estat donar velocitat a la bicicleta al principi i, per dir-ho d'alguna manera, tirar-la per la costa. El moviment que es veu a partir d'aquí és originat per les forces existents sense cap dada experimental.
Finalment, l'altra aplicació de la biomecànica és l'ergonomia. És a dir, el disseny de l'espai en el qual la persona es mou o treballa.
En la imatge podeu veure a un astronauta dins del seu vaixell. És important que els astronautes hagin de realitzar moviments el més petits i naturals possible per a treballar, amb la finalitat que el temps i l'esforç necessaris siguin reduïts.
Sempre mirant al futur
És difícil parlar realment del futur, perquè és un tema que sembla estar plenament integrat en el futur. Però la veritat és que les coses estan canviant dia a dia i en la recerca no es pot estar mirant al cel.
D'una banda, els mètodes utilitzats per a l'anàlisi dels mecanismes són de gran complexitat, i en molts casos l'ordinador triga molt a completar l'estudi. Malgrat utilitzar els ordinadors més ràpids i els millors mètodes que hem inventat, els complexos estudis dinàmics poden requerir moltes hores.
Existeixen dues maneres de reduir aquest temps. Una, per descomptat, utilitzar ordinadors més ràpids. En aquest sentit podem dir que la velocitat dels ordinadors es duplica pràcticament any rere any, la qual cosa redueix els preus.
L'altra forma que els programes siguin més ràpids és mitjançant algorismes més ràpids, és a dir, programes que requereixen menys temps per a fer el mateix treball. Aquí també s'ha treballat molt i els investigadors no paren d'inventar nous mètodes. L'objectiu final és aconseguir programes en “temps real”. Això significa que el nostre programa és capaç de calcular el moviment del mecanisme tan ràpid com es produeix. Per exemple, si volem fer un simulador de cotxe, és inacceptable que nosaltres trepitgem el fre i l'ordinador necessiti mitja hora per a calcular aquest frenat.
D'altra banda, com ja s'ha indicat, els programes són cada vegada més complexos. Això suposa més treball per al programador, però també per a l'usuari, ja que augmenta considerablement el nombre de dades a introduir. És molt important realitzar eines per a introduir aquestes dades. Aquestes eines es denominen interfases i tenen com a objectiu que aquest programa sigui “agradable per a l'usuari”, és a dir, que el propi programa indiqui a l'usuari com s'introdueixen les dades o quins són els seus errors.
D'altra banda, és molt important tenir una bona sortida de les dades. La quantitat de dades i números que generen aquest tipus de programes és enorme i l'única manera de representar-los és mitjançant la realització de gràfics. La qualitat dels gràfics també va millorant molt ràpidament i les imatges generades pels millors programes gràfics existents són gairebé inseparables de la realitat.
El concepte que apareix en el món dels gràfics i la sortida de dades és “realitat virtual”. Els investigadors que treballen en aquest concepte pretenen crear una nova realitat dins de l'ordinador per a l'usuari. Per a aconseguir-ho es col·loca una imatge diferent en cada ull de l'usuari amb unes ulleres especials i una imatge tridimensional.
Amb el so es fa el mateix, amb auriculars especials. I si l'usuari posa un vestit especial, perquè l'ordinador sàpiga la seva posició, serà capaç de veure's en aquesta realitat virtual. Això pot ser molt útil, per exemple, per a simular una operació quirúrjica per part d'un metge, però caldrà anar amb compte amb els problemes psicològics que pugui plantejar sens dubte.
A part d'això, el futur pot donar moltes coses noves en aquest camp i en el món de la recerca en general, però aquest article no pretenia fer el que Jules Verne havia fet, i a més, veient el vist, cada vegada és més difícil que els invents de la nostra imaginació estiguin per davant de la realitat.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
