Un nuovo design per il paraschiena garantisce più sicurezza nello sport
Nel primo episodio di Friday Night Lights, un quarterback del liceo resta paralizzato a causa di una lesione al midollo spinale (LM) subita sul campo di calcio. Mentre la sua comunità cerca di parare questo colpo devastante, il saggio allenatore della serie, Coach Taylor, intona: “La vita è molto fragile. Siamo tutti vulnerabili e cadremo tutti prima o poi nella vita, cadremo tutti”.
Un articolo del Journal of Spinal Cord Medicine del 2016 riporta che alcuni ricercatori hanno individuato i paesi con la più alta incidenza di LM legate allo sport (Russia, Figi, Nuova Zelanda, Islanda, Francia e Canada) e gli sport a rischio più elevato (tuffi, sci, rugby ed equitazione). In tutto il mondo sono molte le leggi che prevedono l’uso obbligatorio del casco per biciclette e motocicli, ma non esiste quasi nessuna norma per i paraschiena, né alcuna raccomandazione per il loro uso negli sport.
La maggior parte dei paraschiena è realizzata per i motociclisti e consiste in una specie di cintura o di armatura che limita il movimento o assorbe i colpi. Ma un nuovo progetto ideato a Graz, in Austria, il sistema RSP (Rotational Spine Protection), funge da “seconda pelle” grazie ad un sistema di cinghie e fibbie che si adattano al corpo e “bloccano” il movimento all’interno di un certo spazio, mantenendo chi lo indossa al sicuro da movimenti pericolosi. Se la rotazione spinale supera il limite critico, le cinghie di serraggio catturano e assorbono l’energia rotazionale in eccesso.
Thomas Saier, cofondatore e CEO di Edera Safety, lo studio di progettazione che ha ideato il sistema RSP, ha esaminato le indagini mediche sulle lesioni spinali, determinando come e dove le stesse si sono verificate, nonché il tipo. Con il marchio in-house Adamsfour, il team si è concentrato sulle lesioni rotazionali, che sono cinque volte più comuni rispetto agli impatti spinali diretti.
“Si tratta di una lesione biomeccanica”, afferma Saier. “L’ampiezza naturale del movimento è eccessivamente accentuata. Le lesioni si verificano quando, a causa della forza di rotazione, il midollo spinale contenuto al centro della colonna vertebrale viene lacerato o reciso.”
Il corpo elettrico
Il primo passo era capire in che punto le forze potenzialmente dannose si esercitano sulla colonna vertebrale quando il corpo si muove in modo estremo o improvviso. Il team ha dovuto sviluppare il proprio manichino da crash test, dotato di sensori e di una colonna vertebrale che ruotava correttamente, applicare forze di rotazione in ogni direzione e raccogliere i dati ottenuti.
Il team si è concentrato sulle vertebre che uniscono le regioni toracico-lombare e lombare-cervicale, le aree in cui si verifica la maggior parte delle rotazioni e delle lesioni. Ha anche utilizzato colonne vertebrali umane di cadaveri, in collaborazione con l’Istituto di Anatomia dell’Università di Graz, applicando la rotazione ed eseguendo scansioni 3D per raccogliere un maggior numero di dati sulla biomeccanica della colonna vertebrale.
È stato determinante scoprire i limiti naturali della colonna vertebrale con due tipi di movimento: uno gestito dalla muscolatura del corpo ed uno in cui le connessioni tra le ossa (comprese le vertebre) iniziano ad assumere il carico. Il corpo umano può raggiungere solo il 60% circa del suo raggio di movimento usando la forza muscolare attiva; il resto viene fatto passivamente attraverso movimenti ossei come la rotazione della colonna vertebrale.
Di conseguenza il trucco non era limitare il movimento attivo prodotto utilizzando i muscoli, ma contenere il movimento osseo passivo in eccesso. Quando la colonna vertebrale supera il limite critico, il sistema RSP assorbe la forza risultante.
Una nuova generazione
Il secondo passo è stato quello di mettere in pratica tutti i dati relativi al movimento della colonna vertebrale, progettando un sistema che limitasse la forza e l’energia ottenute durante le simulazioni senza avere l’aspetto di un’armatura.
E qui che è entrato in gioco il generative design. Saier era a conoscenza del lavoro di Autodesk del 2016 con Hack Rod, una macchina da corsa ad alte prestazioni dotata di un telaio creato utilizzando il generative design, quindi ha valutato la possibilità di utilizzare le sue applicazioni per la RSP. “Lavorando esclusivamente sulle prove, si può simulare solo un tipo di movimento”, afferma. “Gli sport sono una cosa estremamente complessa e le innumerevoli variazioni di movimento rendono impossibile conoscere la portata dell’impatto di forze, rotazioni o alterazioni sul nostro organismo finché l’impatto non si verifica davvero”.
Utilizzando Autodesk Fusion 360 per completare la simulazione con i dati in tempo reale, Adamsfour ha sviluppato un prototipo. Il team l’ha messo in opera, integrando diversi sensori e un’app per misurare e registrare con precisione tutte le forze corrispondenti ed inserirle poi nell’algoritmo di generative design.
Per René Stiegler, sportivo e progettista interno di Adamsfour, il passo successivo è stato quello di lavorare con le geometrie del processo di generative design per trovare la soluzione migliore. “I risultati che avevamo ottenuto erano un po’ troppo estremi per poter diventare prodotti commercializzabili”, afferma. “Per questioni legate alla facilità d’uso, bisognava trasformarli in qualcosa che le persone fossero davvero disposte a indossare.”
Il sistema RSP è una tecnologia business-to-business: Adamsfour lo venderà in kit ad altri produttori che lo inseriranno tra i propri prodotti. Anche se Adamsfour è nella fase di pre-produzione, sta già concludendo i contratti con tre grandi marchi di abbigliamento sportivo.
“A seconda dei vincoli, vengono fuori molte proposte strutturali”, afferma Saier. “L’immagine chiave è stata prodotta con il generative design ed il prodotto finale che stiamo usando in questo momento è stato basato su quella geometria. Affinché questo prodotto diventi commerciale, bisognerà combinarlo con il nostro know-how intuitivo e con le capacità di sviluppo del team di progettazione”.
Uno dei vantaggi di questo processo è rappresentato dalla riduzione della quantità di materiale necessario, basata sui calcoli del sistema sui punti in cui le linee di forza ed energia si applicano al corpo. “Senza questo processo, avremmo potuto avere bisogno di più materiale, o il prodotto avrebbe potuto essere più pesante”, afferma Stiegler. “Fondamentalmente ci fornisce le risposte sulla quantità di carico che bisogna sopportare o sullo spessore corretto del materiale. Decidi tu come implementarlo nel prodotto finale. In realtà, tutto si basa su uno scheletro intorno al quale viene costruito l’intero sistema. ”
La fase successiva è quella di equipaggiare un maggior numero di collaudatori con diversi sensori, che genereranno dettagli ancora più precisi e quindi rinnoveranno il design attuale per perfezionare ulteriormente la topologia.
Nel mondo reale
Dopo tutta questa simulazione, queste analisi dei dati e questi perfezionamenti, quanto conta l’esperienza dell’utilizzatore? Il dispositivo è facile da indossare, comodo ed efficace?
Altro elemento fondamentale è stato il materiale giusto. Doveva essere tagliabile e modellabile, pur mantenendo la sua forza intrinseca, e richiedeva un attrito adeguato con la superficie della pelle o dei vestiti. Se il dispositivo scivolasse su un tessuto trasparente o su un corpo sudato, la sua contrazione non sarebbe sufficiente. La soluzione è stata una sostanza chiamata “gomma sintetica al polietilene clorosolfonato”, simile al materiale utilizzato per i gommoni.
“È comodo da indossare”, afferma Dominik Doppelhofer, il collaudatore di mountain bike in discesa di Adamsfour. “Rispetto ad altri paraschiena, è un po’ diverso da indossare. Bisogna regolarlo correttamente perché deve aderire al corpo come una pelle, ma funziona davvero bene”.
Per concludere, se sei uno sportivo e, entro la fine dell’anno, scoprirai di poter offrire maggiore protezione alla tua colonna vertebrale in caso di torsioni eccessive, probabilmente dovrai ringraziare la ricerca anatomica, il generative design e una piccola azienda austriaca.