筋骨格シミュレーションソフトウェアは、人間の運動力学を分析するための仮想実験室として機能します。運動（キネマティクス）データ、動的力、および生理学的筋肉パラメータを統合するオープンな計算フレームワークを作成することによって機能します。その主な目的は、関節モーメントを計算し、物理センサーでは到達できない深層筋の活性化を推定することであり、履物が歩行と構造的負荷をどのように変化させるかを正確に評価することを可能にします。
静的最適化アルゴリズムを利用することにより、このソフトウェアは、観察可能な運動と内部の生物学との間のギャップを埋めます。深層筋の活性化と関節のストレスに関する重要なデータを提供し、表面的な実験測定のみに依存することなく、履物デザインの評価を可能にします。
シミュレーションの力学
運動学と動力学の統合
ソフトウェアのコア基盤は、多様なデータセットの統合です。運動の幾何学的配置をマッピングする運動学と、その運動を引き起こす力を考慮する動力学を組み合わせます。これにより、システムは、動作中の人間の下肢の包括的なデジタルモデルを作成できます。
関節モーメントの計算
運動と力が統合されると、ソフトウェアは関節モーメントを計算します。これらは、膝、股関節、足首に作用する回転力（トルク）です。この計算は、さまざまな種類の履物によって体に課せられる機械的需要を理解するために不可欠です。
測定不可能なものを解き放つ
深層筋活性化の推定
物理実験の重要な限界は、深層筋の活動を非侵襲的に測定できないことです。シミュレーションソフトウェアは、深層筋の活性化状態を推定することによってこれを解決します。これにより、表面センサー（EMG）ではアクセスできない内部生理学への窓が開かれます。
静的最適化アルゴリズムの利用
これらの推定を達成するために、ソフトウェアは静的最適化アルゴリズムを採用しています。これらの数学的手順は、観察された運動を効率的に生成するために筋肉がどのように発火する必要があるかを予測します。このプロセスは、人間の筋骨格システムの冗長性を解決して、正確な負荷データを提供します。
履物の影響の評価
筋肉の負荷と関節のストレスの評価
このソフトウェアは、安全靴やトレーニングシューズなどの特定の靴のデザインがどのように力を分散させるかを判断するために重要です。下肢の筋肉の負荷と、それによって生じる関節へのストレスを定量化します。これにより、怪我のリスクを最小限に抑えたり、パフォーマンスを向上させたりする可能性のあるデザインを特定するのに役立ちます。
歩行安定性の分析
生の力に加えて、シミュレーションは歩行安定性を評価します。靴の構造が歩行または走行パターンの整合性とバランスにどのように影響するかを決定します。これは、自然な運動力学をサポートする履物を設計する上で不可欠です。
限界の理解
計算モデルへの依存
これらの結果は直接的な測定ではなく、推定値であることを覚えておくことが重要です。データの精度は、フレームワークに入力される生理学的パラメータの品質に大きく依存します。
最適化の「ブラックボックス」
静的最適化は強力ですが、体は常に最も数学的に効率的な方法で動くと仮定しています。実際には、人間の動きは変動する可能性があるため、シミュレーションは保証された生物学的現実というよりは、理想化された活性化状態を表します。
目標に合わせた適切な選択
シミュレーションソフトウェアは、履物の分析を推測ゲームからデータ駆動型の科学へと変革します。これらの機能を特定の目標に適用する方法を次に示します。
- 主な焦点が製品デザインの場合：標準センサーではテストできない内部筋肉構造を履物がサポートしていることを確認するために、深層筋活性化データを優先します。
- 主な焦点が怪我の予防の場合：歩行中の膝と足首への過度のトルクを特定および削減するために、関節モーメントの計算に集中します。
これらの内部推定を活用することで、物理的テストだけでは達成できない深さで履物のパフォーマンスを検証できます。
概要表：
| コア機能 | 履物評価へのメリット |
|---|---|
| 運動学と動力学の統合 | 下肢の運動の包括的なデジタルモデルを作成 |
| 関節モーメントの計算 | 膝、股関節、足首の回転力を定量化 |
| 深層筋活性化の推定 | 表面センサーではアクセスできない内部生理学を明らかにする |
| 静的最適化の利用 | 観察された運動のための筋肉の発火パターンを予測 |
| 筋肉の負荷と関節のストレスの評価 | 怪我のリスクとパフォーマンス向上の機会を特定 |
| 歩行安定性の分析 | 歩行/走行パターンの整合性とバランスを評価 |
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参考文献
- Cristina Brambilla, Alessandro Scano. The Number and Structure of Muscle Synergies Depend on the Number of Recorded Muscles: A Pilot Simulation Study with OpenSim. DOI: 10.3390/s22228584
この記事は、以下の技術情報にも基づいています 3515 ナレッジベース .