Chránič páteře, který funguje jako „druhá kůže“, vznikl díky generativnímu designu

V roce 2016 vyšel ve vědeckém časopise Journal of Spinal Cord Medicine článek, ve kterém autoři identifikovali sporty, u nichž je největší riziko poranění páteře – patří mezi ně potápění, lyžování, rugby a jízda na koni. Zatímco v mnoha zemích světa se povinně nosí helma při jízdě na kole a na motorce, pro chrániče páteře neexistují téměř žádné normy ani doporučení pro jejich využívání při sportu.

Systém RSP sestává z popruhů a přezek, které přiléhají na tělo a uzamknou rozsah pohybu do bezpečné „zelené“ zóny. Pokud rotace páteře dosáhne rizikového bodu, utáhnou se příslušné popruhy a přebytečnou rotační energii absorbují. Za jeho vývojem stojí Thomas Saier, zakladatel a výkonný ředitel designového studia Edera Safety, které systém vyvíjí. Saier se ponořil do lékařských studií o poranění páteře, aby zjistil, kdy a jak k nim dochází a jaký typ úrazů je nejčastější. Pod značkou adamsfour pak začal vyvíjet řešení, které se soustředí na poranění páteře způsobená rotací. Ta jsou až pětkrát častější než poranění způsobená přímým nárazem. „Jde o biomechanické poranění. Ke zranění dojde, když v důsledku abnormálního pohybu rotační síla poraní míchu, která je umístěná uprostřed páteře,“ vysvětluje Saier. 

Prvním krokem bylo zjistit, na které oblasti páteře působí potenciálně škodlivá síla, když dojde k extrémnímu nebo neočekávanému pohybu. Tým vyvinul vlastní figurínu pro crash testy vybavenou senzory a páteří, která rotuje jako páteř skutečná. Následně na ni ze všech směrů působil rotační silou a výsledky zaznamenával.

Zaměřil se při tom na obratle v místě, kde krční páteř přechází v hrudní, a na přechod mezi hrudní a bederní páteří. V těchto oblastech totiž k nežádoucí rotaci – a následnému zranění – dochází nejčastěji. Znalosti o páteři tým získal také zkoumáním mrtvých těl ve spolupráci s Institutem anatomie na Univerzitě v Grazu. I na ně aplikoval rotační sílu a pomocí 3D skenů sbíral data o biomechanice páteře.

První prototyp

Klíčovým objevem bylo, že je přirozený rozsah pohybu lidské páteře omezen dvěma faktory: svaly a kloubními spojeními, včetně obratlů. Aktivním zapojením svalů se lidské tělo dovede dostat jen na 60 % možného rozsahu pohybu – zbytek probíhá pasivně pohybem kloubů, například rotací páteře. Celý princip ochranného systému spočívá v tom, že systém neomezí aktivní zapojování svalů, ale zbrzdí nadměrnou pasivní rotaci v kloubech. Když rotace páteře dosáhne kritického bodu, RSP systém nadměrnou sílu absorbuje. Druhým krokem bylo veškerá data o biomechanice páteře uplatnit v praxi a vyvinout systém, který zachytí simulovanou sílu a energii, ale sportovec se v něm nebude cítit jako v brnění.

Právě tehdy začal Saier zvažovat, jak při vývoji RSP systému uplatnit generativní design. „Při crash testech můžete vždy simulovat jen jeden druh pohybu. Při sportu jich ale současně probíhá neuvěřitelné množství. Nikdy nevíte, jaká rotace, síla nebo náraz na systém působí, dokud ho nevystavíte reálné situaci,“ vysvětluje Saier. 

Na základě skutečných dat v adamsfour provedli simulace v programu Fusion 360 a vyvinuli první prototyp. Ten následně vybavili dalšími senzory a aplikací, která přesně měřila a zaznamenávala všechny relevantní síly, které na páteř působí, a vyzkoušeli ho v akci. Data z testování poté zadali do algoritmu pro generativní navrhování.

Pak nastal čas projít vygenerované návrhy a najít nejlepší řešení. Toho se ujal René Stiegler, designér a sportovec zaměstnaný na projektu adamsfour. „Výsledné návrhy byly poněkud extrémní na to, abychom je mohli prodávat. Potřebovali jsme je osekat na něco, co budou lidé ochotní nosit,“ vzpomíná. 

Systém rotační ochrany páteře je B2B řešením – značka adamsfour ho plánuje prodávat dalším výrobcům, kteří ho následně mohou používat ve vlastních produktech. Zatím je sice adamsfour teprve v předvýrobní fázi, už teď ale finalizuje smlouvy se třemi velkými výrobci sportovního oblečení. „Software vám podle zadaných kritérií vygeneruje množství různých řešení. Generativní navrhování přišlo s klíčovou geometrií, ze které náš stávající produkt vychází. Propojili jsme ji s naším know-how, intuicí a se znalostmi vývojářů a vytvořili komerční produkt,“ popisuje Saier. 

Úspora materiálu

Jednou z výhod tohoto procesu bylo, že se díky výpočtům působení různých sil na lidské tělo podařilo snížit potřebný materiál. „Bez těchto znalostí bychom možná potřebovali více materiálu nebo by byl celý systém těžší. V podstatě jsme dostali odpověď na otázku, jak těžký systém musíme nosit a jak silný musí použitý materiál být. Je pak jen na vás, jak tyto znalosti implementujete do finálního produktu. Vycházíme v podstatě z kostry, kolem které je celý systém postavený,“ vysvětluje Stiegler. 

V další fázi firma vybavila ještě více testerů větším množstvím senzorů, které sbíraly podrobnější informace. Pak přišel čas na opětovné úpravy designu. Jak se všechny simulace, analýzy dat a pilování systému odrazily na výsledné podobě chrániče? Je pohodlný? Jak se obléká? A funguje?

Klíčem byl správný materiál – takový, který se dá stříhat a tvarovat, aniž by ztratil pevnost, a který má přiměřené tření při kontaktu s lidskou kůží nebo oděvem. Kdyby se ochranný systém na zpoceném těle nebo hladké látce posouval, dostatečně by nezamezil extrémnímu pohybu. Řešením je hypalon, materiál známý svou odolností, ze kterého se vyrábí například nafukovací čluny.

„Nosí se pohodlně. Nasazuje se trochu jinak než ostatní chrániče zad a musíte si ho upravit tak, aby vám na těle seděl jako druhá kůže, ale funguje výborně,“ pochvaluje si RSP systém Dominik Doppelhofer, který ho pro adamsfour testuje při downhillu. 

Co si z příběhu značky adamsfour odnést? Možnosti využití generativního designu nemají hranice a dokáží významně ovlivnit vývoj projektů napříč obory. Generativní design nejen snižuje náklady na vývoj i samotnou výrobu a nabízí více variant řešení, ale také významně zrychluje celý proces vzniku.

Chcete se o výhodách a možnostech generativního designu dozvědět více? Kontaktujte odborníka společnosti Autodesk ZDE.