國際生物力學學會研究趨勢

二年一度的國際生物力學學會(International Society of Biomechanics)研討會由卡加利大學主辦,從7/31到8/4為期五天,與會人數多達兩千多人,是在生物力學的領域十分大型的國際研討會。而從這樣一個大型的學術研討會中我們可以觀察到甚麼最新的發現,或是現在生物力學的研究趨勢呢?

國際生物力學學會研究趨勢

穿戴式科技面臨的嚴峻挑戰:發展24/7的全方位監控!

穿戴式科技提供了隨時隨地記錄人體資訊的可能,因此一直是熱門的研究議題,但從這次研討會的發表中可以看到穿戴科技的發展瓶頸,許多的學者都提到,穿戴裝置要實際在生活中幫助監控病人或運動員還有一段很大的落差。目前可能可以用於生活中的穿戴裝置有:IMU、RFID、足壓鞋墊、距離感測器、GPS等,希望用這些裝置來輔助臨床上醫生的診斷(如:觀察膝關節手術後恢復的程度),抑或提供教練有關選手身體狀況的報告(如:記錄跑步訓練時,下肢承受的負荷大小)。

但當這些設備應用於日常生活中,第一個碰到的問題就是 “這個裝置準不準?”,因為現實生活中不像實驗室有很多精密儀器可以判定這筆資料對不對,並且會碰到很多實驗室沒有的干擾。舉例來說,在實驗室中我們可以知道這筆資料是走路還是跑步,並且知道地面反作用力實際上是多大,不過在現實生活中不可能有這麼單純的環境。因此想要時時刻刻精準監控是十分困難的,這是穿戴科技的應用目前最主要的障礙。

針對這樣的困境,大部分的學者都認為,以穿戴裝置結合機器學習或神經網路或許是可行的解套方式,本次會議中也有許多的研究機器學習結合多種穿戴裝置如IMU、足壓鞋墊和距離感測器,並且嘗試用於現實生活中,但這個理想的概念要能實際的實行還需要一段時間的努力。

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另闢蹊徑的生物力學?肌肉骨骼系統模型模擬!

以電腦模型模擬的方式來做生物力學的實驗並不是最近才出現的課題,只是模型模擬在過去最受人質疑的是擬真度,由於使用的演算法通常是理想環境下才能使用,所以容易讓人質疑和真實世界的距離。不過近年來,受益於突飛猛進的電腦計算能力,以及開源軟體Opensim的興起,肌肉骨骼系統的模擬模型可以用有更複雜的演算法,包含考量到環境的影響,以及其他可能出現的影響因素,有越來越多的學者投入模型模擬的實驗,從這次研討會的投稿件數可以發現這個現象。

本次會議中有許多以肌肉骨骼系統模擬進行的研究,例如在腳踏車領域,用EMG的訊號來推算騎腳踏車時能量的消耗,目的是希望可以儀器的限制,因為現階段都是用不方便攜帶的工具測量攝氧量,在換成能量消耗,因此使用肌肉骨骼系統的模擬來簡化;也有學者使用一些運動學參數來模擬膝蓋軟組織的負荷,希望可以找到調整腳踏車騎乘姿勢的最佳方案。跟日常生活有關的研究,有學者試圖建立走路的髖關節負荷,希望可以用來找到髖關節病變的原因,或是找到跑步時脛骨的負荷,以觀察跑步傷害的影響因素。但是似乎在模擬的模型建立上沒有一個確定的共識,每個人挑選的變數都不同,切入的理論角度也不一樣,看起來是一個發展中的領域。

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圖片來源:The lower limit on the metabolic cost of transport in human walking? (H. Faber)

生物力學的新浪潮—走出實驗室!

整體來看,穿戴式科技仍是目前十分熱門的議題,並且趨於跨領域合作,而電腦模擬也是另一大宗研究主力,並且有許多人陸續投入。但無論是穿戴科技還是電腦模擬,可以整合成一句話,那就是 “科學家們正努力地在走出實驗室”,我們是否要加入研究這件事的行列,或是要再跳脫到下一階段,事先構想如何應用,或是以某一個應用為目標來發展硬體?我認為是一件值得深思,並需盡快付諸行動的事情。

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