El equipo de Biomecánica del Laboratorio de Ingeniería Mecánica del CIT de la UDC estudia modelos musculares simplificados para mejorar la simulación predictiva del movimiento humano

“Comparison of several muscle modeling alternatives for computationally intensive algorithms in human motion dynamics”, el primer artículo fruto de la tesis del doctor por la Universidade da Coruña, Mario Lamas-Rodríguez, ha sido recientemente publicado en la revista Multibody System Dynamics. En él se comparan distintas alternativas de modelización muscular y se analiza su eficiencia y precisión. El objetivo es identificar qué procedimientos permiten recortar el coste computacional y mantener, al mismo tiempo, un buen nivel de precisión.

La simulación predictiva del movimiento humano supone un aspecto clave en el ámbito de la biomecánica. La modelización muscular, como parte de este proceso, es esencial para que los movimientos simulados parezcan realmente humanos. En este trabajo, M. Lamas y el equipo de investigadores de la línea de Biomecánica del Laboratorio de Ingeniería Mecánica del Campus Industrial de la Universidade da Coruña, analizan su principal inconveniente: el elevado coste computacional.

En el artículo, se describe el estudio de dos movimientos: uno con dinámica lenta (marcha), y otro con dinámica rápida, (salto vertical). El movimiento real es capturado y analizado por «dinámica directa». Esto supone una simulación equiparable en complejidad a las simulaciones predictivas, pero con características que hacen más sencilla la comparación. En él, se consideran y analizan los siguientes factores y alternativas de modelización muscular:

• cuatro modelos musculares.
• el número de músculos que se incluyen en el modelo.
• los generadores de «par muscular”, que sustituyen los músculos por funciones que proporcionan «pares» directamente en las articulaciones.
• las “sinergias musculares”, que exploran las relaciones existentes entre músculos y buscan identificar patrones de activación simultánea para predecir de manera fácil el estado de activación de varios de ellos y simplificar así los cálculos.
• las “tablas cinemáticas”, que facilitan información directa, sin necesidad de realizar cálculos, sobre las longitudes de los músculos que desarrollan la fuerza y los “brazos de momento” (distancia perpendicular entre la línea de acción de la fuerza y el eje de rotación de la articulación).

El análisis de estos elementos pretende proporcionar criterios sobre cómo incluir el componente muscular en modelos multicuerpo humanos con la suficiente precisión y con un coste computacional razonable. Los resultados obtenidos tras el estudio sugieren que:

• el modelo muscular de tendón rígido que considera el tendón un elemento inextensible (y simplifica los cálculos) ofrece un buen equilibrio entre eficiencia y precisión.
• la reducción de eficiencia que supone la inclusión de los músculos en el modelo es altamente dependiente del modelo de músculo usado y del número de músculos considerado.
• los generadores de «par muscular» mantienen la eficiencia de los modelos esqueléticos (que no incluyen músculos y son, por tanto, mucho más simples).
• las sinergias musculares no ofrecen ventajas en este problema.
• las tablas de magnitudes cinemáticas tienen un impacto no despreciable en la eficiencia, especialmente para modelos musculares simplificados.