Biomecánica: o corpo humano como mecanismo
1992/06/01 Pagaldai, Juanma | Arrieta, Mari Karmen Iturria: Elhuyar aldizkaria
A palabra biomecánica parece falar de ciencia médica. Iso non está do todo equivocado, pero o papel da enxeñaría en biomecánica é tan importante como o do medicamento.
A palabra biomecánica, como outras palabras que utiliza a ciencia, ten a súa orixe no grego e significa mecánica dos vivos. Con todo, ao utilizar esta palabra referímonos normalmente á mecánica do corpo humano. É dicir, a biomecánica investiga o movemento do corpo humano.
Sen ningunha dúbida, una das funcións do corpo humano é o movemento. En canto ao movemento, o corpo humano está formado por unha serie de elementos entre os que o movemento relativo é o que dá ao corpo a súa propia mobilidade. E ademais, este movemento sempre ten una estrutura similar: dous partes diferentes están unidas por unha articulación que permite realizar un ou varios xiros relativos entre ambas as partes. Por exemplo, o noso xeonllo fai posible un só xiro entre a coxa e a perna. A boneca permite dous xiros entre o brazo e a man.
Así, desde o punto de vista do movemento, podemos dicir que o corpo humano é un mecanismo.
Como mecanismo podemos dicir que o corpo humano ten una estrutura ou estrutura ramificada da árbore. Isto quere dicir que a estrutura mecánica do corpo ten o centro ou elemento principal do que salguen os elementos secundarios, dos cales son terciarios, etc. No noso caso o elemento principal é o torso, os brazos secundarios, as pernas e a cabeza, e os dedos e os dedos da terceira.
Ademais da vantaxe da biomecánica, sempre se trata de analizar o mesmo mecanismo, xa que todos os corpos teñen a mesma estrutura vista como mecanismo. O único que cambia de persoa a persoa é a medida.
O corredor de barreira, saltador de altura, ciclista e astronauta que vedes na imaxe están calculados co mesmo modelo.
No debuxo podedes ver o modelo inventado no CEIT de Donostia paira investigar o movemento do corpo humano. Utilizáronse 21 puntos e 18 vectores paira definir a posición do modelo, completando o modelo de 117 coordenadas. Una vez formadas as relacións necesarias entre estas coordenadas, o modelo presenta 40 graos de liberdade ou movemento independente.
Desde o punto de vista da investigación, a biomecánica presenta notables diferenzas con outras áreas da mecánica. Os movementos que aparecen noutras áreas da mecánica son movementos realizados pola máquina, que podemos denominar artificiais. Por iso non é difícil repetir este movemento no computador.
As cousas non están tan definidas en canto ao corpo humano. Os movementos na natureza son o resultado de moitos anos de evolución e repetir cunha fórmula é case imposible. Por tanto, hai que buscar outra forma de estudar o movemento.
O único lugar onde podemos buscar os movementos do corpo humano é o corpo humano. E si queremos ser exactos, os movementos dun corpo só están nese corpo porque os movementos dunha persoa e doutra son diferentes.
Como se ve, a única posibilidade de analizar o movemento dunha persoa é medir ou copiar estes movementos da realidade. E iso é o que se fai.
Paira medir o movemento, normalmente tómanse as imaxes con dúas ou tres cámaras. O primeiro que se roda é a referencia paira determinar a posición dunha cámara con respecto ás demais.
Una vez feito isto, ródase con todas as cámaras que temos movemento. As imaxes filmadas inclúense no vídeo. Cando a imaxe do vídeo aparece en pantalla, as coordenadas dos puntos máis importantes mídense con xagua. Hai que ter en conta que un punto ten tres coordenadas no espazo e que na imaxe que aparece na pantalla, como é launa, só podemos medir dúas coordenadas. Necesitamos polo menos dous cámaras paira calcular estas tres coordenadas. Con todo, ter máis cámaras é bo paira reducir os erros. Esta toma de datos en pantalla denomínase dixitalización, e na maioría dos casos é o paso máis pesado do proceso. Moitas veces fixéronse esforzos para que este paso sexa automático, pero os resultados obtidos non son moi bos.
Estes datos tomados, a pesar de que o proceso se realiza con moito coidado, adoitan ter erros e é necesario filtralos paira descartar diferenzas que xeran erros nos datos utilizando técnicas matemáticas.
Despois de todo isto, os datos do movemento están listos para que o noso modelo repita o movemento medido. E se os datos medidos están ben medidos, o movemento do noso modelo será totalmente natural. Na foto podedes ver ao corredor de barreira realizando un salto case perfecto. Os datos filmados son os dun campión mundial.
Este traballo non se realiza para que o movemento teña una aparencia de naturalidade, senón para que sexa un movemento real, porque deste estudo queremos extraer datos reais. Por exemplo, paira mellorar o movemento dun runner. Tomando como exemplo o noso corredor de barreira, sábese que os movementos verticais, aínda que necesitan enerxía, non son útiles paira correr máis rápido. Se vemos o movemento da cabeza do corredor na foto, parece que o corredor coñece dalgunha maneira esta lei, xa que a súa cabeza leva un camiño totalmente horizontal.
Aínda que normalmente non é así, algúns deportes poden ter movementos bastante simples e repetitivos, e nestes casos poden ser simulados no computador sen filmar.
Uno deles é o ciclismo. O movemento que se realiza paira pedalear é simple e sempre igual. Á vista disto, no caso que se mostra na imaxe, o que se fixo foi dar velocidade á bicicleta ao principio e, por dicilo dalgunha maneira, tirala pola costa. O movemento que se ve a partir de aí é orixinado polas forzas existentes sen ningún dato experimental.
Por último, a outra aplicación da biomecánica é a ergonomía. É dicir, o deseño do espazo no que a persoa se move ou traballa.
Na imaxe podedes ver a un astronauta dentro do seu barco. É importante que os astronautas teñan que realizar movementos o máis pequenos e naturais posible paira traballar, co fin de que o tempo e o esforzo necesarios sexan reducidos.
Sempre mirando ao futuro
É difícil falar realmente do futuro, porque é un tema que parece estar plenamente integrado no futuro. Pero a verdade é que as cousas están a cambiar día a día e na investigación non se pode estar a mirar ao ceo.
Por unha banda, os métodos utilizados paira a análise dos mecanismos son de gran complexidade, e en moitos casos o computador tarda moito en completar o estudo. A pesar de utilizar os computadores máis rápidos e os mellores métodos que inventamos, os complexos estudos dinámicos poden requirir moitas horas.
Existen dúas formas de reducir este tempo. Una, por suposto, utilizar computadores máis rápidos. Neste sentido podemos dicir que a velocidade dos computadores duplícase practicamente ano tras ano, o que reduce os prezos.
A outra forma de que os programas sexan máis rápidos é mediante algoritmos máis rápidos, é dicir, programas que requiren menos tempo paira realizar o mesmo traballo. Aquí tamén se traballou moito e os investigadores non pairan de inventar novos métodos. O obxectivo final é conseguir programas en “tempo real”. Isto significa que o noso programa é capaz de calcular o movemento do mecanismo tan rápido como se produce. Por exemplo, se queremos facer un simulador de coche, é inaceptable que nós pisemos o freo e o computador necesite media hora paira calcular ese freado.
Doutra banda, como xa se indicou, os programas son cada vez máis complexos. Isto supón máis traballo paira o programador, pero tamén paira o usuario, xa que aumenta considerablemente o número de datos a introducir. É moi importante realizar ferramentas paira introducir estes datos. Estas ferramentas denomínanse interfases e teñen como obxectivo que este programa sexa “agradable paira o usuario”, é dicir, que o propio programa indique ao usuario como se introducen os datos ou cales son os seus erros.
Doutra banda, é moi importante ter una boa saída dos datos. A cantidade de datos e números que xeran este tipo de programas é enorme e a única forma de representalos é mediante a realización de gráficos. A calidade dos gráficos tamén vai mellorando moi rapidamente e as imaxes xeradas polos mellores programas gráficos existentes son case inseparables da realidade.
O concepto que aparece no mundo dos gráficos e a saída de datos é “realidade virtual”. Os investigadores que traballan neste concepto pretenden crear una nova realidade dentro do computador paira o usuario. Paira conseguilo colócase una imaxe diferente en cada ollo do usuario cunhas lentes especiais e una imaxe tridimensional.
Co son faise o mesmo, con auriculares especiais. E se o usuario pon un traxe especial, para que o computador saiba a súa posición, será capaz de verse nesa realidade virtual. Isto pode ser moi útil, por exemplo, paira simular una operación quirúrjica por parte dun médico, pero haberá que ter coidado cos problemas psicolóxicos que poida expor sen dúbida.
Á parte diso, o futuro pode dar moitas cousas novas neste campo e no mundo da investigación en xeral, pero este artigo non pretendía facer o que Xullo Verne fixera, e ademais, vendo o visto, cada vez é máis difícil que os inventos da nosa imaxinación estean por diante da realidade.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
