¿Alguna vez te has detenido a pensar en la complejidad que hay detrás de un acto tan cotidiano como caminar? Aunque parezca tan sencillo, cada paso que damos es el resultado de un proceso sorprendentemente complejo. Implica una coordinación precisa entre el sistema nervioso, músculos, huesos y una constante aplicación de fuerzas desde y hacia el suelo. Detrás de ese gesto cotidiano, hay mucha ciencia e ingeniería trabajando para entenderlo mejor.
En el fascinante mundo de la biomecánica, la estudiante de Ingeniería Biomédica Renata Ojeda Galaz dio un paso adelante. Gracias al programa internacional de pasantías The Bridge Investigación, Renata se integró durante dos meses al Laboratorio de Robótica Vestible de la Universidad de Notre Dame, en Estados Unidos, bajo la dirección del profesor Edgar Bolívar-Nieto. Su misión fue desarrollar una manera más práctica y accesible de medir las fuerzas que ejercemos al caminar, un dato fundamental para diseñar tecnologías que mejoren la calidad de vida.
¿Qué nos cuentan nuestros pies al caminar?
Cuando tu pie toca el suelo, este responde con una fuerza igual y opuesta, llamada Fuerzas de Reacción del Suelo (GRFs, por sus siglas en inglés). Para ingenieros y científicos, son una especie de huella invisible que revela cómo nos movemos, cuánto peso soportamos, y cómo se distribuye el peso en nuestras articulaciones al caminar, correr o saltar.
Hasta ahora, las plataformas de fuerza han sido la herramienta estándar para medir las GRF. Si bien entregan mediciones precisas, son costosas, requieren de instalación y calibración en espacios específicos, y deben ser operadas por personal especializado. Además, su uso altera la forma natural de caminar, ya que la persona debe pisar exactamente en un área determinada para que los datos se registren correctamente. Lo anterior ha impulsado la búsqueda de alternativas más portátiles, accesibles y representativas del movimiento en la vida real.
De paso a lo real
Renata, junto al profesor Bolívar-Nieto y Mohsen Alizadeh Noghani, buscaron una forma más práctica y flexible de estudiar el movimiento. Para ello, combinaron plantillas inteligentes (Moticon insoles) que miden la presión bajo los pies con un traje de captura de movimiento (OptiTrack) que gracias a sus marcadores, permite crear el movimiento del cuerpo en 3D. Este enfoque permite estudiar el caminar sin necesidad de plataformas de fuerza, reduciendo los costos pero por sobre todo, ofrece una mayor libertad de movimiento lo que es clave para el desarrollo de nuevas tecnologías.
Renata en el laboratorio utilizando el traje de captura de movimiento OptiTrack
El experimento que llevó a cabo el equipo de investigación fue sencillo pero sofisticado. Un voluntario caminó sobre plataformas de fuerza mientras usaba las plantillas inteligentes y el traje OptiTrack con marcadores. El proceso técnico en primer lugar requirió la calibración cuidadosamente de los sistemas. Luego, se calculó la posición exacta de las plantillas respecto al pie usando un método de optimización que determinó la rotación y traslación necesarias para alinear los datos con el marco de referencia del pie.
Trabajo de registro de datos en el laboratorio, utilizando plantillas inteligentes y un traje de captura de movimiento sobre placas de fuerza
A continuación, se analizó el movimiento de las articulaciones mediante un modelo de cinemática inversa con la herramienta OpenSim, que proporcionó los ángulos, velocidades y aceleraciones durante la caminata. Ahora bien, ¿a qué se refiere la cinemática inversa? Se trata del estudio del movimiento en reversa, en el que, desde la posición final de un objeto, se utilizan ecuaciones para describir el movimiento que se generó.
Por último, la información obtenida desde OpenSim con el modelo de cinemática inversa fue aplicado para desarrollar un modelo de dinámica inversa. Este modelo permite calcular a partir de los ángulos y velocidades de las articulaciones, las fuerzas y torques necesarios para este movimiento. De esta forma, aplicando las leyes de Newton y Euler, se calcula la fuerza que el suelo ejerce sobre el cuerpo en cada paso.
Al combinar esta estimación con los datos de presión de las plantillas, se logró obtener las GRFs.
Resultados que dan pasos firmes
Uno de los primeros logros fue estimar con éxito el Centro de Presión (CoP), el punto donde se concentra la fuerza bajo el pie al caminar. Al comparar estos resultados con los obtenidos por las plataformas de fuerza, las diferencias promedio fueron mínimas: solo 14 mm en el eje X y 3 mm en el eje Y. Esto demuestra que las plantillas inteligentes pueden capturar con gran fidelidad cómo se distribuye la presión en cada paso.
Se muestra la posición del centro de presión en los ejes X (a) e Y (b) a lo largo del tiempo, comparando los datos obtenidos por las plantillas con los registrados por las plataformas de fuerza
Por otro lado, también se analizaron las GRFs verticales. Las mediciones realizadas con las plantillas inteligentes siguieron una tendencia muy similar a la de las plataformas de fuerza tradicionales, aunque con una diferencia de magnitud promedio de aproximadamente 75 newtons. Por su parte, las estimaciones generadas a través del modelo de dinámica inversa mostraron algunas variaciones en la forma de las curvas, pero se mantuvieron dentro de un rango comparable.
Gráfico comparativo de las fuerzas de reacción verticales a lo largo del tiempo, obtenidas mediante tres métodos: plataformas de fuerza, plantillas inteligentes y modelo de dinámica inversa
Aún quedan aspectos por perfeccionar, así como también un procesamiento conjunto de ambas tecnologías (plantillas y traje) para una comparación correcta versus las placas de presión. Estos hallazgos representan un avance significativo hacia nuevas formas de estudiar el movimiento humano de manera más accesible, portátil y cercana a las condiciones reales de la vida diaria.
Estudiante de Ingeniería Biomédica
University of Notre Dame
University of Notre Dame
El método propuesto por el equipo de investigación tiene un gran potencial para ser una herramienta valiosa en el futuro, especialmente para diseñar tecnologías personalizadas como prótesis, dispositivos de asistencia para personas con movilidad reducida, herramientas de rehabilitación e incluso sistemas para optimizar el rendimiento deportivo y evitar el desgaste muscular. El siguiente desafío es perfeccionar los modelos y los algoritmos para que la precisión sea aún mayor.
Este proyecto refleja cómo la pasión por la investigación, potenciada por la oportunidad de colaborar internacionalmente gracias a programas como The Bridge Investigación, puede generar aprendizajes que transforman nuestra forma de entender el mundo. Desde Chile, también se está contribuyendo a dar el siguiente paso: avanzar hacia un futuro más humano.
Avanzando con sentido
Estudiante de Ingeniería Biomédica
