Cuando comenzamos el estudio de la Biomecánica como encontramos en los textos el concepto de Sistema Biomecánico utilizado para caracterizar de cierta forma algunos enfoques que tiene que ver con el cuerpo humano.
Este es definido como una copia simplificada, un modelo del cuerpo humano en el cual se pueden estudiar las leyes de los movimientos [ 3 ].
En realidad no es otra cosa que un modelo del cuerpo humano o de algunas de sus partes, propuesto para analizar conceptos desde un punto de vista simple de la Maquinaria y Mecanismos o de la Mecánica Teórica.
Este ese un concepto novedoso aplicado al estudio de la biomecánica y que tuvo su origen el los trabajos de autores motivados por la aparición de lacibernética como ciencia [2 ]. En la actualidad se ha comenzado a emplear con mucho énfasis el modelaje de los movimientos humanos, de su cuerpo, sus partes y componentes.
Es por eso que en este trabajo pretendemos dar una noción de algunos conceptos que están relacionados con el modelaje y que servirán para aclarar y actualizar los existentes.
Palabras claves: biomecánica, sistema, modelos
El sistema
Desde hace algún tiempo se ha venido utilizando dentro de las ciencias el enfoque sistemático y para la biomecánica no ha pasado por alto, aún cuando no nos damos cuenta de su manifestación.
Para la biomecánica resulta muy beneficioso este enfoque sobre todo en el estudio de los movimientos del hombre como leyes que rigen su dirección.
El nacimiento de la Cibernética, como ciencia de la dirección o control, se puede establecer en el año 1942, durante la celebración de un congreso sobre la inhibición cerebral en Nueva York. De aquí surgió la idea de la necesidad de un intercambio de conocimientos entre fisiólogos y técnicos en control [1].
Esta ciencia comenzó a nombrarse así a partir de la publicación del libro de Norbert Wiener "Cibernética o dirección y enlace en el animal y en lasmáquinas" (1948).
Entre sus conceptos fundamentales se encuentran:
Sistema: Es cualquier todo, agrupado y formado por partes componentes interactuantes. Es decir, un conjunto de componentes, interrelacionados entre sí, que actúan bajo determinadas leyes.
Estado del sistema: Es el valor determinado de sus características en un momento dado.
Conducta del sistema: Es el cambio de sus estados, la variación de la magnitud de sus características.
Dirección del sistema: Es la transición del sistema a un nuevo estado determinado con anticipación (el logro de un objetivo).
El sistema de movimientos se estudia en la siguiente sucesión bajo este enfoque:
De qué partes componentes está formado y cómo están agrupados esas partes (composición y estructura).
Cuáles son las características de sus movimientos (estado del sistema).
Cómo se produce el proceso de movimiento, según los datos de registro de las características (conducta del sistema).
Cuáles acciones y de qué forma conducen al logro del objetivo (dirección del sistema).
En la Cibernética se han determinado tres aspectos que dan solución a estas tareas:
La Cibernética analiza las particularidades generales de los sistemas dirigidos y de los procesos de dirección.
La Cibernética aplicada o experimental soluciona fundamentalmente las tareas prácticas mediante el modelaje; su empleo en las cuestiones de la técnica deportiva está en sus comienzos.
La Cibernética técnica estudia y construye instalaciones técnicas que transforman la información con el objetivo de hacerla más óptima (aparatos de información inmediata). Estas instalaciones se emplean en la enseñanza y el entrenamiento.
La biomecánica actual se desarrolla en este sentido, que incluye todo lo clásico y su desarrollo ulterior dentro del enfoque sistemático-estructural.
La cibernética aplicada utiliza la simulación para el análisis de los sistemas, sobre todo, aquellos sistemas dinámicos (varían con el tiempo).
La simulación es una técnica (normalmente numérica) que se utiliza para realizar experimentos a partir de un modelo que describe el comportamientode las componentes del sistema y su interacción en el tiempo.
A partir del modelo de simulación se imita el desarrollo del sistema en el tiempo, considerando todos los factores que le acompañan (optimización) y realizando una analogía entre el modelo y el sistema real en condiciones naturales (validación).
La optimización consiste en asegurar al sistema una trayectoria óptima. Resulta imposible optimizar un modelo sino se conoce profundamente las leyes que rigen su comportamiento.
La validación es hacer que el modelo sea lo más semejante al real en funcionamiento.
Es por eso que: "La biomecánica estudia en el cuerpo humano, en su aparato locomotor preferentemente aquellas particularidades de la estructura yfunciones que tienen importancia para el perfeccionamiento de los movimientos. Sin detenerse en los detalles de la estructura anatómica y de los mecanismos fisiológicos del aparato locomotor, analiza un modelo simplificado del cuerpo humano: el sistema biomecánico. Este sistema posee las propiedades fundamentales, que resultan esenciales para la ejecución de la función motora, pero no posee gran cantidad de detalles parciales" [4].
El sistema biomecánico puede ser activo, de todo el cuerpo, del aparato locomotor y pasivo, de los órganos internos, de los tejidos blandos y de los líquidos [3]. Esta es una forma de clasificar los posibles modelos del cuerpo humano, como un sistema autodirigido, que pueden tenerse en cuenta para estudiar al cuerpo completo y sus partes.
Modelos biomecánicos
El modelaje del cuerpo humano, de sus partes y tejidos ha comenzado a aparecer como un método importante para estudiar problemas específicos de lamecánica humana.
Estos modelos se emplean:
Figura No. 1: Modelos de los miembros como palancas [2]
Para aplicar las leyes de la Mecánica y la Teoría de Maquinaria y Mecanismos. Por ejemplo, cuando analizamos a un miembro del cuerpo humano como palanca, estamos utilizando un modelo de ese miembro donde se pueden considerar uno o varios músculos que son los encargados de mover o estabilizar al miembro y su carga mecánica.
Para la simulación en computadora. Con ayuda de los modelos, programas especializados y la acumulación de datos, ha comenzado a emplearse como un método de la biomecánica. En la actualidad existen programas creados especialmente para la simulación a partir de modelos del cuerpo humano.
Un ejemplo es modelo músculo-esquelético SIMM (Modelo del cuerpo completo o de sus partes), diseñado a partir de un hombre adulto. Este modelo posee 86 grados de libertad, 117 articulaciones y 344 actuadores que representan a músculos y tendones. Las articulaciones tienen gran exactitudcinemática.
a ------------------ b
Figura No. 2: Modelos para la simulación en computadoras
a - del cuerpo completo y
b - de los miembros inferiores durante el pedaleo
La Figura No. 2 b corresponde a una imagen de la animación del pedaleo en ciclismo. En cualquier instante las fibras rojas están representando a los músculos motores que son los encargados del movimiento de la pierna y las fibras oscuras representan a los músculos antagonistas.
La simulación con modelos posee ciertas ventajas cuando se desea experimentar al sistema de movimientos del hombre en determinadas condiciones, ya que permite:
El estudio y análisis del comportamiento de sistemas en los cuales sería muy costoso o imposible experimentar directamente en ellos.
Estudiar los aspectos que sobre un sistema determinado tendría ciertos cambios o innovaciones sin necesidad de arriesgar a estudiarlos en el sistema real.
El análisis de determinadas alternativas para seleccionar sistemas de nueva implantación.
Resolver problemas analíticos complicados de una forma más sencilla.
Clasificación de los modelos en biomecánica
El modelaje en biomecánica puede ser dividido en dos grandes grupos, cada uno de los cuales posee subgrupos:
Físico
1.1 Modelos a escala
1.2 Maniquí antropométrico
Matemático
2.1 Modelos de elementos deformables
Modelos de cuerpo rígido
El modelo físico es bastante caro y no puede ser fácilmente modificado. Estos modelos desarrollan un importante papel en la investigaciónbiomecánica.
El modelo a escala es utilizado cuando es extremadamente dificultoso resolver las ecuaciones de movimiento. Casi todos los estudios donde interviene la mecánica de fluido y el cuerpo humano se desarrolla mediante este tipo de modelaje. Por ejemplo, este tipo de modelo se ha utilizado para estudiar el vuelo de los saltadores en esquís y el efecto de la resistencia del aire sobre los corredores.
Los maniquíes antropométricos se usan para pruebas destructivas o dañinas. Se utilizan con mucho acierto en pruebas de la aviación y automovilísticas. Son modelos extremadamente caros debido a los sensores que son necesarios colocarles para hacer las mediciones deseadas y se ven sometidos a grandes cargas que pueden destruirlos.
Figura No. 3 Maniquíes antropométricos (hombre y mujer)
Estos maniquíes fueron utilizados para estudiar
las lesiones de columna vertebral en accidentes
automovilísticos
El modelaje matemático son muy utilizados en la biomecánica y especialmente en el deporte debido al desarrollo de las computadoras digitales de alta velocidad que pueden resolver ecuaciones matemáticas rápidamente.
Otra ventaja de este tipo de modelaje se debe a la relativa facilidad para modificar las representaciones matemáticas del cuerpo y lo económico de simular los sistemas biomecánicos.
Se emplean para modelar además del cuerpo humano, sus segmentos y sus componentes (huesos y tejidos).
Los modelos de elementos deformables pueden ser de parámetro mezclados, parámetros discretos y elementos finitos o continuos.
El modelo de parámetro mezclados es aquel en que las subunidades están concentradas y aproximadas con muelle, masas y/o amortiguadores, dependiendo de la característica de la respuesta dinámica.
Figura No. 4 Modelaje a parámetros mezclados
En el modelo de parámetro discreto se alternan cuerpos rígidos y deformables. Como ejemplo de este tipo tenemos la representación de la columna vertebral , donde las vértebras son los cuerpos rígidos.
En los modelos de elementos finitos las componentes del sistema son finamente subdivididas en unidades homogéneas tal que la geometría pueda ser modelada con mayor precisión.
Este tipo de modelo se ha utilizado para estudiar en los huesos la distribución de la carga y en la columna vertebral para conocer el comportamiento mecánico de los discos intervertebrales
Mientras más pequeñas subdivisiones se empleen mejor será el modelo, ya que se acercará más a una representación continua.
En los modelos continuos las componentes del sistema son retratadas en forma continua. Ellos se emplean para estudiar el momento flexor, fuerzas de cizalladura y de compresión de la columna vertebral y los miembros.
Los modelos de cuerpo rígido pueden emplearse para definir la configuración del cuerpo humano. Estos modelos son muy utilizados cuando se simula colisiones, caída libre y destrezas e n el deporte.
Los moldeos de respuesta a colisiones del cuerpo completo han tenido una gran línea de evolución ya que han ayudado al desarrollo de análogos al humano, adecuados para estudiar la respuesta del cuerpo completo a la colisión.
En la Figura No. 5 se muestra un modelo de respuesta a colisiones desarrollado como muestra en el simulador Working Model 2D.
Observe que el sistema moto-hombre está a punto de caer.
Este es un simulador que permite la construcción de cualquier tipo de modelo para su estudiar su comportamiento. Se ha utilizado muy poco para el estudio del movimiento humano
Figura No. 5: Modelo de respuesta .
a colisiones
Los modelos a parámetro inercial comenzaron a utilizarse a partir del año 1960 debido al desarrollo de los vuelos cósmicos, donde se empleaban en los modelos de cuerpo rígido parámetros inerciales en un intento de anticipar los problemas de reorientación que pudieran aparecer durante los trabajos orbitales. Estos modelos se ha ido refinando con el tiempo y casi todos poseen los siguientes aspectos comunes:
Los segmentos del cuerpo son considerados rígidos, de densidad uniforme y de forma geométrica simple.
El miembro rígido rota sobre ejes fijos.
La deformación del tejido y la localización asimétrica de los órganos internos son despreciables.
El modelo de Hanavan a parámetro inerciales constituye uno de los modelos matemáticos más utilizados y está compuesto de 15 segmentos.
Este modelo originalmente fue concebido para calcular las propiedades inerciales del cuerpo completo en una posición específica y el programapermite obtener además la longitud, masa, localización del centro de masa y momentos de inercia principales de los 15 segmentos [5].
Para especificar las dimensiones de los segmentos se utilizaron 25 mediciones antropométricas en sujetos
Figura No. 6: El modelo de Hanavan (1964)
es un ejemplo de modelo a parámetro inercial
En los últimos años el desarrollo de la computadora y de programas cada vez más sofisticados permiten la creación de modelos del cuerpo humano cada ves más complejos. A continuación mostramos un ejemplo de ello.
Figura No. 7: Modelo para animación virtual
mediante la captura del movimiento humano
Esta nueva técnica para la animación de actores (y por qué no del deportista) virtuales está basada en tecnología de sensores magnéticos y guantes-datos VR.
Dos clases de aplicaciones pueden ser realizadas, la primera, aplicación en tiempo real utilizando la captura del movimiento y reproduciendo dicho movimiento en un ambiente virtual; y la segunda, el registro de gestos y acciones motoras que demandan más esfuerzo computacional.
Por último se hace necesario aclarar que los modelos matemáticos son los más usados y para su utilización es necesario tener en cuenta los parámetro de los segmentos del cuerpo humano, que han sido investigados por varios científicos, ya no sería posible entonces la aplicación de la mecánica deNewton al movimiento del hombre.
