肌肉骨骼模拟软件充当虚拟实验室，用于分析人体运动力学。它通过创建一个开放的计算框架来运行，该框架综合了运动学（运动）数据、动力学力和生理肌肉参数。其主要目的是计算关节力矩并估算物理传感器无法触及的深层肌肉的激活情况，从而精确评估鞋类如何改变步态和结构负荷。
通过利用静态优化算法，该软件弥合了可观察运动与内部生理学之间的差距。它提供了有关深层肌肉激活和关节压力的关键数据，使得无需仅依赖表面实验测量即可评估鞋类设计。
模拟的力学
整合运动学与动力学
该软件的核心基础是整合各种数据集。它将描述运动几何学的运动学与解释导致运动的力的动力学相结合。这使得系统能够创建运动中的人体下肢的整体数字模型。
计算关节力矩
在整合了运动和力之后，软件会计算关节力矩。这些是作用于膝盖、臀部和脚踝的旋转力（扭矩）。此计算对于理解不同类型鞋类对身体施加的机械需求至关重要。
解锁无法测量的内容
估算深层肌肉激活
物理实验的一个重大限制是无法无创地测量深层肌肉活动。模拟软件通过估算深层肌肉的激活状态来解决此问题。这提供了一个窗口，可以了解表面传感器（EMG）无法访问的内部生理学。
利用静态优化算法
为了获得这些估算，软件采用了静态优化算法。这些数学程序可以预测肌肉必须如何激活才能高效地产生观察到的运动。此过程解决了人体肌肉骨骼系统的冗余问题，以提供准确的载荷数据。
评估鞋类影响
评估肌肉负荷和关节压力
该软件对于确定特定鞋类设计（如安全鞋或训练鞋）如何分配力至关重要。它量化了下肢肌肉负荷以及由此产生的关节压力。这有助于识别可能降低受伤风险或提高性能的设计。
分析步态稳定性
除了原始力之外，模拟还会评估步态稳定性。它确定鞋类的结构如何影响行走或跑步模式的一致性和平衡。这对于设计能够支撑自然运动力学的鞋类至关重要。
理解局限性
依赖计算模型
重要的是要记住，这些结果是估算值，而不是直接测量值。数据的准确性在很大程度上取决于输入框架的生理参数的质量。
优化的“黑匣子”
虽然静态优化功能强大，但它假设身体总是以数学上最有效的方式移动。实际上，人体运动是可变的，这意味着模拟代表的是理想化的激活状态，而不是有保证的生物学现实。
为您的目标做出正确的选择
模拟软件将鞋类分析从猜测游戏转变为数据驱动的科学。以下是如何将这些功能应用于您的特定目标：
- 如果您的主要重点是产品设计：优先考虑深层肌肉激活数据，以确保您的鞋类能够支撑无法通过标准传感器测试的内部肌肉结构。
- 如果您的主要重点是预防伤害：专注于关节力矩计算，以识别和减少步态过程中膝盖和脚踝上的过度扭矩。
利用这些内部估算，您可以以仅通过物理测试无法达到的深度来验证鞋类性能。
总结表：
| 核心功能 | 对鞋类评估的好处 |
|---|---|
| 整合运动学与动力学 | 创建下肢运动的整体数字模型 |
| 计算关节力矩 | 量化膝盖、臀部和脚踝的旋转力 |
| 估算深层肌肉激活 | 揭示表面传感器无法触及的内部生理学 |
| 利用静态优化 | 预测观察到的运动的肌肉激活模式 |
| 评估肌肉负荷与关节压力 | 识别受伤风险和提高性能的机会 |
| 分析步态稳定性 | 评估行走/跑步模式的一致性和平衡性 |
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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
本文还参考了以下技术资料 3515 知识库 .