Aconsegueixen fer simulacions biomecàniques fins a 20 vegades més ràpid
El mètode desenvolupat s'ha utilitzat en simulacions de moviment de pèndols, de la marxa humana i de moviment col·laboratiu entre persona i exoesquelet.
Un equip d’investigadors de les universitats Katholieke Universiteit Leuven (Bèlgica), Stanford University (Estats Units) i de la UPC han millorat l’eficiència de softwares de simulació biomecànica per tal que realitzin simulacions a una velocitat fins a 20 vegades més alta. Els resultats de la recerca s’han publicat recentment a la revista ‘PlosOne’.
08/01/2020
Els investigadors Gil Serrancolí, del Departament d’Enginyeria Mecànica de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC), i Antoine Falisse, de la Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven, Bèlgica), han aconseguit integrar eines de diferenciació automàtica en els programaris de biomecànica OpenSim i Simbody que permeten fer simulacions biomecàniques fins a 20 vegades més ràpid que els mètodes basats en diferències finites.
Aquestes eines de diferenciació automàtica permeten calcular derivades d’expressions matemàtiques de manera més eficient que utilitzant diferències finites, i són molt útils per a la resolució de problemes d’optimització que necessiten el càlcul de milers o milions d’avaluacions de derivades. I és que les simulacions biomecàniques que tenen per objectiu calcular trajectòries òptimes es basen habitualment en la resolució d’un problema de control òptim (optimització dinàmica). Precisament és en aquest tipus de simulacions on els autors han aplicat el mètode desenvolupat, que s’ha aplicat en simulacions de moviment de pèndols, de la marxa humana i de moviment col·laboratiu entre persona i exoesquelet.
Col·laboració amb Stanford
L’any 2017, els investigadors Falisse i Serrancolí van ser escollits com a OpenSim Visiting Scholars per fer una estada d’un mes i desenvolupar el projecte a la Stanford University. Els resultats d’aquest treball, liderat per Friedl De Groote (KU Leuven), han donat lloc a la publicació d’un article científic a la revista PlosOne, en el qual es compara l’eficiència de les optimitzacions de simulacions biomecàniques utilitzant la diferenciació automàtica i les diferències finites.
L’investigador Gil Serrancolí, del Simulation and Movement Analysis Lab (SIMMA Lab) i professor de l’Escola d’Enginyeria de Barcelona Est (EEBE), ha utilitzat aquest mètode per estimar els paràmetres de models de contacte entre persona i exoesquelet, i entre peu i terra, i predir posteriorment nous moviments col·laboratius entre persona i exoesquelet. Aquest estudi s’emmarca en el postdoc que va realitzar a KU Leuven, els resultats del qual es van publicar a la revista IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering.
Per la seva banda, l’investigador de la KU Leuven Antoine Falisse ha utilitzat aquest nou mètode per obtenir prediccions de la marxa humana i estudiar diferents estratègies de control, els resultats del qual han estat publicats al Journal of the Royal Society Interface.
Articles de referència
- Falisse, A; Serrancolí, G; Dembia, C.L.; Gillis, J; De Groote, F. Algorithmic differentiation improves the computational efficiency of OpenSim-based trajectory optimization of human movement. PloseOne 2019.
- Serrancoli, G.; Falisse, A.; Dembia, C.; Vantilt, J.; Tanghe, K.; Lefeber, D.; Jonkers, I.; De Schutter, J.; De Groote, F. Subject-exoskeleton contact model calibration leads to accurate interaction force predictions. IEEE transactions on neural systems and rehabilitation engineering 2019. 27(8): 1597-1605.
- Falisse, A; Serrancolí, G; Dembia, C.L.; Gillis, J; Jonkers, I; De Groote, I. Rapid predictive simulations with complex musculoskeletal models suggest that diverse healthy and pathological human gaits can emerge from similar control strategies. Journal of the Royal Society Interface 2019