El trabajo interdisciplinario ha permitido el desarrollo de prótesis mioeléctricas. Foto: Archivo

OptimUN: diseño para mejorar la vida

El Diccionario de la Real Academia de la lengua española define así la palabra óptimo: “Sumamente bueno, que no puede ser mejor”. Eso intenta y eso consigue, en campos tan diversos que van de la mandíbula humana al diseño de automóviles, el Grupo de Investigación en Diseño Óptimo Multidisciplinario de la Universidad Nacional de Colombia (OptimUN).

Las estructuras biológicas han logrado adaptarse morfológica y funcionalmente a los cambios del medio físico en el que trabajan. La estructura ósea, por ejemplo, tiene la capacidad de modificar su arquitectura de acuerdo al estímulo mecánico que soporta. Se ha comprobado que en los huesos el tejido mineralizado es reabsorbido en zonas de baja solicitación, mientras que en zonas propiamente estimuladas hay formación de tejido nuevo. Este fenómeno se realiza a través del proceso de remodelado óseo, mediante el que se reemplaza localmente el hueso viejo y agrietado por hueso nuevo. Así se conforma como una estructura óptima en permanente evolución, que minimiza el peso y maximiza la resistencia mecánica.

En busca de un modelo computacional que pudiera reflejar esta dinámica de adaptación funcional, los investigadores plantearon uno basado en Autómatas Celulares, que simulan la respuesta de los osteocitos (células sensoras del hueso) a un estímulo mecánico y su interacción con la Unidades Multicelulares Básicas conformadas por osteoclastos (células reabsorsoras de hueso viejo) y osteoblastos (células formadoras de hueso nuevo).

Para determinar la expresión adecuada del estímulo mecánico, derivaron las condiciones de optimalidad de un problema de optimización estructural consistente en minimizar masa y maximizar rigidez. Para hallar el valor de este estímulo numéricamente usaron la técnica de los Elementos Finitos. De esta forma, plantearon una técnica nueva que denominaron Método de los Autómatas Celulares Híbridos (MACH) o Hybrid Cellular Automaton Method (HCA). También fue implementado como herramienta computacional para la obtención de estructuras y mecanismos flexibles.

Aplicaciones

El MACH se utiliza en diversos campos: de la mandíbula humana al diseño de estructuras para automóviles seguros. El trabajo de médicos, odontólogos, ingenieros, físicos y matemáticos ha permitido plantear técnicas de optimización multidisciplinaria adecuadas para el diseño de dispositivos biomecánicos, con énfasis en el desarrollo de prótesis mioeléctricas de manos pentadigitales, prótesis de extremidad inferior y extensores.

El MACH se utiliza también para modelar el proceso de adaptación de la estructura trabecular y predecir la distribución de la densidad en distintos huesos del cuerpo humano. Por ejemplo, en el modelado y simulación del proceso de distracción osteogénica mandibular, que ayuda a evaluar diagnósticos y procedimientos quirúrgicos.

Con algunas modificaciones, el MACH es una poderosa técnica computacional en la solución de problemas de optimización topológica, dominio de diseño, que consiste en encontrar la mejor distribución de material dentro de un volumen, de forma que la estructura resultante maximice algún tipo de desempeño mecánico bajo ciertas restricciones. Respecto de otras técnicas utilizadas en optimización topológica ha demostrado ser computacionalmente más eficiente y numéricamente más estable.

El Grupo recibió el Honda Intiation Grant 2004 por el proyecto Hybrid cellular automata: a structural synthesis and shape optimization tool for crashworthiness design and safety.En ese proyecto el MACH se utiliza como herramienta para el diseño de estructuras en vehículos sometidos a colisión. Honda financia la investigación de OptimUN en la Universidad de Notre Dame en Estados Unidos. El proyecto Optimización Estructural con Autómatas Celulares Híbridos fue ganador de la convocatoria para apoyo a docentes jóvenes con título de PhD o Doctorado equivalente de la Dirección Nacional de Investigación de la Universidad Nacional de Colombia. Este proyecto financia el desarrollo de herramientas computacionales para la obtención de estructuras y mecanismos flexibles que adelantan estudiantes de Maestría en la Facultad de Ingeniería de la Sede Bogotá.