Biomecánica: el cuerpo humano como mecanismo
1992/06/01 Pagaldai, Juanma | Arrieta, Mari Karmen Iturria: Elhuyar aldizkaria
La palabra biomecánica parece hablar de ciencia médica. Eso no está del todo equivocado, pero el papel de la ingeniería en biomecánica es tan importante como el de la medicina.
La palabra biomecánica, como otras palabras que utiliza la ciencia, tiene su origen en el griego y significa mecánica de los vivos. Sin embargo, al utilizar esta palabra nos referimos normalmente a la mecánica del cuerpo humano. Es decir, la biomecánica investiga el movimiento del cuerpo humano.
Sin duda alguna, una de las funciones del cuerpo humano es el movimiento. En cuanto al movimiento, el cuerpo humano está formado por una serie de elementos entre los que el movimiento relativo es el que da al cuerpo su propia movilidad. Y además, este movimiento siempre tiene una estructura similar: dos partes diferentes están unidas por una articulación que permite realizar uno o varios giros relativos entre ambas partes. Por ejemplo, nuestra rodilla hace posible un solo giro entre el muslo y la pierna. La muñeca permite dos giros entre el brazo y la mano.
Así, desde el punto de vista del movimiento, podemos decir que el cuerpo humano es un mecanismo.
Como mecanismo podemos decir que el cuerpo humano tiene una estructura o estructura ramificada del árbol. Esto quiere decir que la estructura mecánica del cuerpo tiene el centro o elemento principal del que salen los elementos secundarios, de los cuales son terciarios, etc. En nuestro caso el elemento principal es el torso, los brazos secundarios, las piernas y la cabeza, y los dedos y los dedos de la tercera.
Además de la ventaja de la biomecánica, siempre se trata de analizar el mismo mecanismo, ya que todos los cuerpos tienen la misma estructura vista como mecanismo. Lo único que cambia de persona a persona es la medida.
El corredor de barrera, saltador de altura, ciclista y astronauta que veis en la imagen están calculados con el mismo modelo.
En el dibujo podéis ver el modelo inventado en el CEIT de Donostia para investigar el movimiento del cuerpo humano. Se han utilizado 21 puntos y 18 vectores para definir la posición del modelo, completando el modelo de 117 coordenadas. Una vez formadas las relaciones necesarias entre estas coordenadas, el modelo presenta 40 grados de libertad o movimiento independiente.
Desde el punto de vista de la investigación, la biomecánica presenta notables diferencias con otras áreas de la mecánica. Los movimientos que aparecen en otras áreas de la mecánica son movimientos realizados por la máquina, que podemos denominar artificiales. Por eso no es difícil repetir este movimiento en el ordenador.
Las cosas no están tan definidas en cuanto al cuerpo humano. Los movimientos en la naturaleza son el resultado de muchos años de evolución y repetir con una fórmula es casi imposible. Por tanto, hay que buscar otra forma de estudiar el movimiento.
El único lugar donde podemos buscar los movimientos del cuerpo humano es el cuerpo humano. Y si queremos ser exactos, los movimientos de un cuerpo sólo están en ese cuerpo porque los movimientos de una persona y de otra son diferentes.
Como se ve, la única posibilidad de analizar el movimiento de una persona es medir o copiar estos movimientos de la realidad. Y eso es lo que se hace.
Para medir el movimiento, normalmente se toman las imágenes con dos o tres cámaras. Lo primero que se rueda es la referencia para determinar la posición de una cámara con respecto a las demás.
Una vez hecho esto, se rueda con todas las cámaras que tenemos movimiento. Las imágenes filmadas se incluyen en el vídeo. Cuando la imagen del vídeo aparece en pantalla, las coordenadas de los puntos más importantes se miden con xagua. Hay que tener en cuenta que un punto tiene tres coordenadas en el espacio y que en la imagen que aparece en la pantalla, como es launa, sólo podemos medir dos coordenadas. Necesitamos al menos dos cámaras para calcular estas tres coordenadas. Sin embargo, tener más cámaras es bueno para reducir los errores. Esta toma de datos en pantalla se denomina digitalización, y en la mayoría de los casos es el paso más pesado del proceso. Muchas veces se han hecho esfuerzos para que este paso sea automático, pero los resultados obtenidos no son muy buenos.
Estos datos tomados, a pesar de que el proceso se realiza con mucho cuidado, suelen tener errores y es necesario filtrarlos para descartar diferencias que generan errores en los datos utilizando técnicas matemáticas.
Después de todo esto, los datos del movimiento están listos para que nuestro modelo repita el movimiento medido. Y si los datos medidos están bien medidos, el movimiento de nuestro modelo será totalmente natural. En la foto podéis ver al corredor de barrera realizando un salto casi perfecto. Los datos filmados son los de un campeón mundial.
Este trabajo no se realiza para que el movimiento tenga una apariencia de naturalidad, sino para que sea un movimiento real, porque de este estudio queremos extraer datos reales. Por ejemplo, para mejorar el movimiento de un runner. Tomando como ejemplo nuestro corredor de barrera, se sabe que los movimientos verticales, aunque necesitan energía, no son útiles para correr más rápido. Si vemos el movimiento de la cabeza del corredor en la foto, parece que el corredor conoce de alguna manera esta ley, ya que su cabeza lleva un camino totalmente horizontal.
Aunque normalmente no es así, algunos deportes pueden tener movimientos bastante simples y repetitivos, y en estos casos pueden ser simulados en el ordenador sin filmar.
Uno de ellos es el ciclismo. El movimiento que se realiza para pedalear es simple y siempre igual. A la vista de esto, en el caso que se muestra en la imagen, lo que se ha hecho ha sido dar velocidad a la bicicleta al principio y, por decirlo de alguna manera, tirarla por la cuesta. El movimiento que se ve a partir de ahí es originado por las fuerzas existentes sin ningún dato experimental.
Por último, la otra aplicación de la biomecánica es la ergonomía. Es decir, el diseño del espacio en el que la persona se mueve o trabaja.
En la imagen podéis ver a un astronauta dentro de su barco. Es importante que los astronautas tengan que realizar movimientos lo más pequeños y naturales posible para trabajar, con el fin de que el tiempo y el esfuerzo necesarios sean reducidos.
Siempre mirando al futuro
Es difícil hablar realmente del futuro, porque es un tema que parece estar plenamente integrado en el futuro. Pero la verdad es que las cosas están cambiando día a día y en la investigación no se puede estar mirando al cielo.
Por un lado, los métodos utilizados para el análisis de los mecanismos son de gran complejidad, y en muchos casos el ordenador tarda mucho en completar el estudio. A pesar de utilizar los ordenadores más rápidos y los mejores métodos que hemos inventado, los complejos estudios dinámicos pueden requerir muchas horas.
Existen dos formas de reducir este tiempo. Una, por supuesto, utilizar ordenadores más rápidos. En este sentido podemos decir que la velocidad de los ordenadores se duplica prácticamente año tras año, lo que reduce los precios.
La otra forma de que los programas sean más rápidos es mediante algoritmos más rápidos, es decir, programas que requieren menos tiempo para realizar el mismo trabajo. Aquí también se ha trabajado mucho y los investigadores no paran de inventar nuevos métodos. El objetivo final es conseguir programas en “tiempo real”. Esto significa que nuestro programa es capaz de calcular el movimiento del mecanismo tan rápido como se produce. Por ejemplo, si queremos hacer un simulador de coche, es inaceptable que nosotros pisemos el freno y el ordenador necesite media hora para calcular ese frenado.
Por otro lado, como ya se ha indicado, los programas son cada vez más complejos. Esto supone más trabajo para el programador, pero también para el usuario, ya que aumenta considerablemente el número de datos a introducir. Es muy importante realizar herramientas para introducir estos datos. Estas herramientas se denominan interfases y tienen como objetivo que este programa sea “agradable para el usuario”, es decir, que el propio programa indique al usuario cómo se introducen los datos o cuáles son sus errores.
Por otro lado, es muy importante tener una buena salida de los datos. La cantidad de datos y números que generan este tipo de programas es enorme y la única forma de representarlos es mediante la realización de gráficos. La calidad de los gráficos también va mejorando muy rápidamente y las imágenes generadas por los mejores programas gráficos existentes son casi inseparables de la realidad.
El concepto que aparece en el mundo de los gráficos y la salida de datos es “realidad virtual”. Los investigadores que trabajan en este concepto pretenden crear una nueva realidad dentro del ordenador para el usuario. Para conseguirlo se coloca una imagen diferente en cada ojo del usuario con unas gafas especiales y una imagen tridimensional.
Con el sonido se hace lo mismo, con auriculares especiales. Y si el usuario pone un traje especial, para que el ordenador sepa su posición, será capaz de verse en esa realidad virtual. Esto puede ser muy útil, por ejemplo, para simular una operación quirúrjica por parte de un médico, pero habrá que tener cuidado con los problemas psicológicos que pueda plantear sin duda.
Aparte de eso, el futuro puede dar muchas cosas nuevas en este campo y en el mundo de la investigación en general, pero este artículo no pretendía hacer lo que Julio Verne había hecho, y además, viendo lo visto, cada vez es más difícil que los inventos de nuestra imaginación estén por delante de la realidad.
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