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 la cibernética 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
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 las máquinas"
(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 comportamiento
de 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 y funciones 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.
El modelaje del cuerpo humano, de sus partes y tejidos
ha comenzado a aparecer como un método
importante para estudiar problemas
específicos de la mecánica 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
exactitud cinemática.
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
investigación biomecánica.
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 programa permite
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 de Newton al
movimiento del hombre.
1. Álvarez-Buylla Valle, Mercedes Modelos
económicos-matemáticos II
Editorial ISPJAE, Ciudad de la Haban, 1987
2. Antoniazzi, Luis D. Variables
Biomecánicas. PubliCE .
Standard. 18/11/2001. Pid:
10
3. Donskoi, D. D. Leyes de los movimientos en el deporte
Cultura
Física
y Deporte, Moscú, l968.
4. Donskoi, D D. Biomecánica con fundamentos de
la técnica deportiva
Editorial Pueblo y Educación, Ciudad de
la Habana, 1982.
5. Donskoi, D. D. y Zatsiorski, V. M. Biomecánica
de los ejercicios
físicos Editorial Pueblo y Educación,
Ciudad de la Habana, 1988.
6. Grieve, D. W. Y otros Techniques for the
Análysis of Human
Movement The Human Movement Series, Lepus Book,
London
1975
7. Martínez Fernández, S. C. Temas para el
desarrollo de un curso de
diplomado en Biomecánica para la formación
de profesores
Trabajo para optar por la categoría docente de
Profesor
Titular
Santa Clara, febrero de 2005
8. MusculoGrapics c/o Motion Analysis
Corporation
//www.musculographics.com/
9. Working Model 2D Simulador version 4.0.1.
1996.
Autor:
Sixto Conrado Martínez
Fernández
Profesor de Biomecánica SUM ISCF "M. Fajardo"
Sagua la Grande
Estudios realizados:
Profesor de Educación Física
Ingeniero Eléctrico