Šiandieniniai GPS išmanieji laikrodžiai ir kiti nešiojami įrenginiai suteikia milijonams bėgikų daugybę duomenų apie jų tempą, vietą, širdies ritmą ir kt. Tačiau vienas dalykas, kurio jūsų Garmin negali išmatuoti, yra paprasta sena fizika: kiek jėgos sukuriama, kai koja atsitrenkia į žemę ir vėl kyla.
Šios važiavimo atgal, stabdymo ir varymo jėgos, kurias bėgikas sukuria kiekvienu žingsniu, yra glaudžiai susijusios su našumu ir sužalojimu. Biomechanikos ekspertai iš Harvardo Johno A. Paulsono inžinerijos ir taikomųjų mokslų mokyklos (SEAS) mano, kad nešiojamų jutiklių technologija yra pasirengusi padėti bėgikams geriau suprasti šias jėgas ir galiausiai išlikti sveikesniems.
Neseniai atliktas tyrimas PLOS vienas Conor Walsh, SEAS inžinerijos ir taikomųjų mokslų profesoriaus Paul A. Maeder laboratorija, rodo, kad paprasti, komerciniai jutikliai, nešiojami ant kūno, gali suteikti naudingų duomenų apie tai, ką mokslininkai vadina žemės reakcijos jėgomis. Šios įžvalgos gali atverti kelius įrenginiams ir produktams, kurie šiuos duomenis naudotojams pateikia realiuoju laiku.
„Nešiojami jutikliai kartu su mašininiu mokymusi gali tiksliai įvertinti jėgas, veikiančias bėgiko kūną – ne tik laboratorijoje, bet ir realiame pasaulyje“, – sakė pagrindinė autorė Lauren Baker, neseniai dirbanti mokslų daktarė. baigė Walsho laboratoriją (ir pati bėgikė).
Persilenkimas ir stabdymas
Tyrimas pagrįstas bendraautorio Danielio Liebermano, Harvardo Menų ir mokslų fakulteto biologijos mokslų profesoriaus Edwino M. Lernerio, kuris studijuoja bėgimą žmogaus evoliucijos kontekste ir yra ilgametis Walsh laboratorijos bendradarbis, darbu. Liebermano komanda pabrėžė ryšį tarp persistengimo – kai bėgiko pėda nusileidžia toli už klubų ir kelių – ir didesnių stabdymo jėgų. Abi komandos taip pat bendradarbiavo 2024 m. tyrime, kuris parodė, kad nešiojami jutikliai gali užfiksuoti stabdymo ir perlenkimo duomenis, ir jiems kilo klausimas: kokias dar svarbias jėgas jie galėtų užfiksuoti?
Bakeris nusprendė sutelkti dėmesį į horizontalias stabdymo ir varymo jėgas ne tik todėl, kad jos yra susijusios su perlenkimu, bet ir todėl, kad dauguma žemės reakcijos jėgos tyrimų daugiausia dėmesio skiria vertikaliai krypčiai, kuri labiausiai susijusi su kūno svoriu ir greičiu.
Duomenų fiksavimas ir interpretavimas
Tyrimui Bakeris ir kolegos paėmė žemės reakcijos jėgos duomenis iš 15 savanorių bėgikų Harvardo judesio fiksavimo laboratorijoje, kurioje yra judesio fiksavimo kamerų sistema, bėgimo takelis su jėgai jautriomis plokštėmis po diržais ir mini takelis su jėgai jautriomis plokštėmis, įtaisytomis grindyse. Kiekvienas bėgikas taip pat dėvėjo jutiklių rinkinį, vadinamą inerciniais matavimo vienetais, kurie plačiai naudojami telefonuose, laikrodžiuose ir žaidimų programose. Šie įrenginiai fiksuoja judėjimo ir orientacijos duomenis, bet negali tiesiogiai išmatuoti jėgos. Čia atsiranda mašininis mokymasis.
Neapdoroti jėgos duomenys buvo įtraukti į mašininio mokymosi modelį, kurio versiją laboratorija naudojo kituose tyrimuose, kad įvertintų vaikščiojimo varomąsias jėgas žmonėms, sveikstantiems po insulto. Naujasis bėgimui optimizuotas modelis interpretavo ryšį tarp nešiojamo jutiklio duomenų ir laboratorijoje surinktų jėgos duomenų.
Rezultatai parodė, kad apibendrintas modelis, parengtas remiantis laboratoriniais duomenimis, gali tiksliai numatyti naujų žmonių, kurių nebuvo pradiniuose treniruočių duomenyse, bėgimo jėgas, susijusias su perlenkimu. Pridėjus tik nedidelį kiekį (apie aštuonis žingsnius) naudotojo duomenų būtų galima patikslinti prognozes, kad jos būtų dar geriau pritaikytos pagal asmenį.
Siekdamas pritaikyti tyrimą realiame pasaulyje, Bakeris išbandė laboratorijoje treniruotą modelį, penkių bėgikų pogrupį aprūpindamas tais pačiais mažais, parduodamais inerciniais matavimo jutikliais, dėvimais ant klubo ir blauzdos. Šie bėgikai nešiojo jutiklius bėgdami Harvardo lauko trasoje. Modelis įvertino lauko bėgikų stabdymo ir varymo jėgas, remdamasis vien jutiklio užfiksuotais judesio duomenimis.
Tyrime buvo nagrinėjamas iššūkis nuspėti stabdymą ir varomąją jėgą važiuojant realiame lauke, kai tiesioginis jėgų matavimas yra nepraktiškas arba neįmanomas.
„Mane nustebino, kad daug biomechanikos tyrimų atliekama ant bėgimo takelio“, – sakė Bakeris. „Ir daug bėgimo ne.”
Liebermanas pridūrė: „Kadangi mes galime tiek daug išmokti tyrinėdami žmones ant bėgimo takelių, šis tyrimas padės mums patikrinti hipotezes apie bėgimo biomechaniką realiame pasaulyje, ypač siekiant išvengti traumų.
Ateities kryptys
„Walsh“ laboratorija ir toliau ieško galimų naujoviškų mašininio mokymosi ir nešiojamųjų jutiklių technologijos panaudojimo būdų žmogaus judėjimui ir sveikatai.
„Daugiau duomenų, leidžiančių suprasti pramoginių ar elitinių sportininkų rezultatus, yra tendencija, kuri tik didėja“, – sakė Walshas. „Pripažįstame, kad yra didelis atotrūkis tarp to, ką matuoja esami komerciniai dėvimi aparatai, ir to, ką iš tikrųjų norėtume išmatuoti – kad iš tikrųjų suprastume bėgimo formą ar sportinius rezultatus… Manau, kad norime išplėsti nešiojamus prietaisus, kad ne tik matuotume žingsnius, greitį ar širdies ritmą, bet ir iš tikrųjų suteiktume išsamesnį supratimą apie tai, kaip kūnas juda, nesvarbu, ar tai ėjimas, ar bėgimas.
Būsimos tyrimų kryptys galėtų apimti teisingo jutiklių skaičiaus ar išdėstymo ant kūno nustatymą, kad būtų pasiektas maksimalus rezultatas, ir esamų išmaniojo laikrodžio galimybių integravimą su jutikliais, kad būtų galima gauti grįžtamąjį ryšį apie jų formą.
„Nešiojami jutikliai galėtų suteikti bėgikams prieigą prie bėgimo metrikų, istoriškai apsiribojusių tik laboratorijų rinkimu“, – sakė Bakeris.