خلع الهيكل الخارجي: درس بيوميكانيكي ثلاثي الأبعاد

أصيب رجل إطفاء بخلع في الكتف أثناء عملية إنقاذ. تسبب هيكله الخارجي المساعد، المصمم لتخفيف حمل المعدات الثقيلة، في حركة مفاجئة غير متوقعة. هذه الحادثة، التي هي أبعد من مجرد عطل ميكانيكي، تكشف عن خطأ جسيم في خوارزمية تعويض الحمل. لفهم ذلك، قمنا بإعادة بناء الحادث في بيئة ثلاثية الأبعاد، وتحليل حركية البدلة واستجابة جسم الإنسان.

إعادة البناء الحركي واكتشاف الخطأ 🛠️

باستخدام Artec Studio، قمنا بمسح جذع ومفاصل رجل الإطفاء لإنشاء نموذج حجمي دقيق. تم استيراد هذا النموذج إلى Autodesk Fusion 360، حيث تم دمج هندسة الهيكل الخارجي. تم إجراء محاكاة الحركة في OpenSim، وهو برنامج للميكانيكا الحيوية. عند إعادة إنتاج تسلسل الحادث، اكتشفنا أن خوارزمية التعويض طبقت عزم دوران مفرطًا على محور دوران الكتف خلال مرحلة الرفع الجانبي. كان الخطأ يكمن في قراءة مستشعرات القصور الذاتي: فسر النظام تغييرًا في الوضعية على أنه سقوط وشيك، مما أدى إلى تنشيط تصحيح مفاجئ تجاوز الحد الفسيولوجي للمفصل. تجاوز الإجهاد المحسوب في الكفة المدورة 150 نيوتن متر، وهو ما يكفي لإحداث الخلع.

نحو تصميم يركز على سلامة المفاصل 🦾

تثبت هذه الحالة أن المحاكاة ثلاثية الأبعاد لا تخدم التصميم فحسب، بل تتنبأ أيضًا بالأعطال. التوصية الفنية هي تنفيذ مرشح أمان في الخوارزمية يحد من عزم الدوران المشترك بناءً على الزاوية الموضعية وسرعة حركة المستخدم. في Unity، يمكن تصميم نظام تحذير لمسي ينبه رجل الإطفاء قبل أن ينفذ الهيكل الخارجي تصحيحًا عدوانيًا. مستقبل أجهزة المساعدة يتطلب دمج الميكانيكا الحيوية البشرية كمتغير رئيسي في البرنامج، وليس كملحق للأجهزة.

كيف يمكن للنمذجة الميكانيكية الحيوية ثلاثية الأبعاد أن تتنبأ وتمنع خلع الكتف لدى مستخدمي الهياكل الخارجية للإنقاذ، مع مراعاة التفاعل بين الحمل المساعد والحدود الفسيولوجية للمفاصل؟

(ملاحظة: وإذا لم ينبض العضو المطبوع، يمكنك دائمًا إضافة محرك صغير... إنها مزحة!)