Imprimir Republicar

Biofísica

Movimiento en su justa medida

Un estudio que muestra las fuerzas que actúan en el cuerpo en acción e indica incluso la forma ideal de pegarle a la pelota de tenis

Con las espectaculares victorias de Guga (el tenista Gustavo Kuerten), Brasil puede dejar de ser el país del fútbol para convertirse en la tierra del tenis, y aquellos que se inician en el manejo de la raqueta pueden ahora contar con la ayuda de la ciencia. El físico brasileño Marcos Duarte, profesor de la Escuela de Educación Física y Deporte de la Universidad de São Paulo (USP), junto a especialistas de varios países, encabezados por la psicóloga alemana Dagmar Sternad (de la Universidad Estadual de Pensilvania, Estados Unidos), descubrió una receta infalible para controlar a la pelotita, tan fácil que hasta un robot es capaz de seguirla.

“La idea convencional es que la persona está todo el tiempo mirando hacia la pelotita y la raqueta, e inconscientemente, realiza los ajustes necesarios para corregir el movimiento. Pero eso demanda mucha atención y contrasta con la facilidad de ese acto. Entonces, propusimos un modelo alternativo, basado en la teoría del caos”, afirma el investigador.

Su investigación fue publicada en enero en Physical Review E, de la American Physical Society, y tuvo una reseña en la página de la revista Nature en Internet. Otro artículo del grupo saldrá publicado en octubre en el Journal of Experimental Psychology. Pero la investigación del movimiento de golpear en la pelota es, por así decirlo, una camino colateral en el itinerario de este joven físico, posdoctor de la Universidad de Pensilvania. Su principal objeto de estudio son los mecanismos de control de la postura y del equilibrio humanos. Tanto en un área como en la otra, Duarte ha realizado descubrimientos instigadores y útiles.

Para describir el movimiento al golpear en la pelotita, Duarte utilizó un modelo creado en el estudio de los rayos cósmicos por el físico italiano Enrico Fermi (1901-1954). “Se trata de un modelo de sistemas dinámicos, cuyas ecuaciones no lineales traen consigo la idea del caos”, dice Duarte. “A partir de dicho modelo, concluimos que, en vez de controlar en todo instante las posiciones y velocidades de la pelota y de la raqueta, todo loque la persona necesita hacer es frenar a la raqueta antes de golpear en la pelota”.

Si ese único factor – la frenada de la raqueta, es decir, su aceleración negativa (menor que cero) – es respetado, el resultado será un sistema dinámicamente estable, en el cual cualquier perturbación en el movimiento de la pelotita será atenuada o corregida por las interacciones consecutivas con la raqueta.

Visión e impacto
Ocurrirá exactamente lo contrario si la aceleración de la raqueta es positiva. En este caso, una eventual perturbación será acentuada, hasta hacer que el movimiento de la pelotita se vuelva incontrolable. La tercera posibilidad, una aceleración nula (igual a cero) – es decir, el desplazamiento de la raqueta con velocidad constante -, producirá un estado indiferente, en el cual las perturbaciones tanto pueden progresar cuanto retroceder, dependiendo de otros factores.

Si bien el modelo se remonta a los estudios de Fermi al final de la década de 1940, la novedad reside en su aplicación al tenis. “Inicialmente, realizamos una simulación del modelo en una computadora. Luego confirmamos la previsión en experimentos con seres humanos”, relata Duarte. “Esos individuos no tenían ninguna experiencia anterior con el tenis, pero después de aprender la tarea, llegaron, empíricamente, muy cerca de la aceleración ideal: un valor negativo, pero no excesivo. Bastó controlar esa sola variable para que obtuvieran la pericia.”

Para aislar el fenómeno y evitar efectos producidos por otros factores – como la inclinación lateral de la raqueta, por ejemplo -, en uno de los experimentos, los investigadores acoplaron a ella un dispositivo tipo sube y baja. Los testeados movían el “sube y baja” y éstos comunicaban el movimiento a la raqueta. De esa manera, la trayectoria de la raqueta permanecía rigurosamente inscrita en un plano vertical.

“Procuramos eliminar también varias informaciones sensoriales, como las proporcionadas por la visión y por la sensación cinestésica producida por el impacto de la pelota en la raqueta”, informa el físico. Para cumplir la primera condición, bastó vendarles los ojos a las personas. La segunda demandó un artilugio más complicado: acoplar un brazo robótico entre el sujeto y la raqueta. “Para sorpresa nuestra, verificamos que la performance de los individuos se ve más perjudicada por la eliminación de la información cinestésica que por la supresión de la visión.”

Entrenando a un robot
Con todo lo que aprendieron durante los experimentos, llegaron a la etapa más divertida: enseñarle al robot a pegarle a la pelota. No hicieron esto a la manera clásica, con cámaras de TV siguiendo los movimientos de la raqueta y de la pelotita y las computadoras calculando en cada momento sus trayectorias. Bastó para ello programar al robot para imprimirle a la raqueta una aceleración negativa en la intensidad apropiada.

“Este robot no está siendo desarrollado para jugar tenis con Guga. Tiene la habilidad de un niño de 2 años. Y eso es lo máximo que podemos ansiar por el momento”, dice Duarte. “Cuando consideramos que, en un juego esencialmente mental como el ajedrez, el robot Deep Blue fue capaz de vencer al campeón mundial ruso Garry Kasparov, nos damos cuenta de como es complejo el movimiento corporal humano”.

El físico sabe muy bien que está hablando, pues su línea de investigación, focalizada en el control de la postura y del equilibrio, muestra toda la complejidad implicada en una actividad tan simple como permanecer de pie. En estos estudios, que ya le reportaron ocho artículos en revistas especializadas internacionales, el brasileño contó como supervisor de su posdoctorado con el matemático ruso Vladimir Zatsiorsky. Se trata del ex director del legendario Instituto Central de Cultura Física de la antigua Unión Soviética, la fábrica de campeones responsable por las medallas de oro de los equipos olímpicos. Zatsiorsky, que vive actualmente en Estados Unidos y reorientó su actuación de los gimnasios deportivos hacia el área de salud, continua siendo colaborador de Duarte.

“Queremos saber cómo controla su postura el ser humano, para entender cómo pierde ese control”, subraya el investigador. Esa cuestión es especialmente significativa para los ancianos. Una de cada tres personas con más de 65 años se cae por lo menos una vez al ano. Y esas caídas, que generalmente provocan fracturas de cadera o fémur, son, debido a sus complicaciones, el segundo factor de muerte por accidentes. En Estados Unidos, los gastos ocasionados por esos accidentes al sistema de salud ascienden a algunos miles de millones de dólares anuales.

Por tal motivo, gobiernos e instituciones privadas de varios países invierten grandes sumas en el estudio de los mecanismos naturales de control de la postura y del equilibrio. Como parte de su proyecto, Duarte acaba de montar, en la Escuela de Educación Física de la USP, un laboratorio con los más actuales avances en aparatos de investigación sobre el tema.

Placa de fuerza
El investigador señala, sobre una pequeña plataforma en el piso de su laboratorio, un equipo que él considera como el más importante: una placa de fuerza que mide cualquier esfuerzo realizado sobre ésta. El funcionamiento del artefacto es análogo al de una balanza, pero mientras esta solamente determina el peso – una fuerza vertical, de arriba hacia abajo -, la placa es capaz de detectar fuerzas ejercidas en todas las direcciones, así como sus puntos de aplicación. “Le pedimos a una persona que permanezca de pie encima de ella durante media hora y, por medio de un software que desarollamos, podemos identificar, clasificar y cuantificar todas las alteraciones posturales ocurridas en ese período de tiempo”, dice.

Uno de los objetivos es estudiar la llamada postura erecta natural, la que las personas asumen, por ejemplo, cuando están paradas esperando el ómnibus. “Jamás permanecemos totalmente inmóviles”, asegura Duarte. “Estando de pie, nuestro cuerpo efectúa permanentemente pequeñas oscilaciones que nos ayudan a aliviar la fatiga. En media, efectuamos un cambio postural cada 30 segundos”.

Esas alteraciones pueden reducirse a tres tipos básicos. El primero es la transferencia (shift) que ocurre cuando el sujeto modifica su posición media, desplazando, por ejemplo, el peso de una pierna hacia la otra. El segundo, el sobresalto (fidjet), es un movimiento rápido, con retorno a la posición anterior. El tercero, denominado deriva (drift), es la tendencia que las personas manifiestan de derivar, es decir, moverse muy lentamente hacia un lado y luego regresar a la posición inicial.

La transferencia y el sobresalto ya eran harto conocidos. Son mecanismos naturales que permiten transferirle el esfuerzo de determinados grupos musculares a otros, estimular la circulación sanguínea y aliviar la presión sobre los puntos de apoyo previamente solicitados, de manera de prevenir edemas. La contribución del investigador consistió en cuantificar rigurosamente esos movimientos, antes apenas relatados de manera subjetiva.

Variación y fractal
La deriva es una descubrimiento nuevo, un movimiento muy lento, que solo puede ser observado gracias a los recursos de los aparatos. Su causa es mucho más difícil de determinar. ¿Por qué las personas derivan? ¿Por qué pendemos lentamente hacia un lado y luego volvemos, con igual lentitud, a la posición anterior? “Descubrimos que la señal de la placa de fuerza, que informa cómo el individuo controla su postura y su equilibrio, es un fractal”, responde Duarte. Fractales son los patrones que se repiten en diferentes escalas de espacio o de tiempo o de espacio y tiempo, simultáneamente.

Afirmar que la señal de la placa es un fractal equivale a decir que la transferencia, el sobresalto y la deriva son variaciones, en diferentes escalas, de un mismo movimiento. “Si adoptamos el shift como referencia, podremos decir que el fidjet está compuesto por dos shifts muy rápidos, de sentidos opuestos, mientras que el drift es un shift de larga duración”, explica.

Para él, esta asociación quizás aclare el misterio de la deriva, que parece ser una estrategia corporal que permite obtener los mismos efectos producidos por la transferencia con menor consumo de energía por unidad de tiempo. De otra manera: es una forma inteligente de cambiar los puntos de apoyo, redistribuir el peso y promover la circulación sanguínea.

La actual fase de los estudios ya permite tener una primera idea acerca de cómo un adulto saludable controla su postura. A partir de allí, es posible empezar a entender la progresiva pérdida de control que acompaña al envejecimiento, principalmente de el aquellos que no practican una actividad física adecuada y regular. Para controlar el movimiento antero-posterior -las oscilaciones hacia adelante y hacia atrás-, el ser humano utiliza básicamente los tobillos y las caderas. Con el envejecimiento, tiende a producirse una pérdida de la llamada sensibilidad distal: cuanto más distante una parte del cuerpo se encuentra del cerebro, menor es la sensibilidad de la persona en dicha región. Resultado: la estrategia de los tobillos comienza a ser dejada de lado con relación a la estrategia de las caderas.

Tobillos débiles
El problema está en que ambas estrategias no son equivalentes desde el punto de vista físico. Para demostrar ese principio, el investigador le pide al reportero que pruebe consigo mismo, permaneciendo en pie y oscilando hacia adelante y hacia atrás. Existe efectivamente una diferencia notable. Si la oscilación es realizada a partir del tobillo, le imprimimos al piso fuerzas sensiblemente verticales. Al transferirle la oscilación a las caderas, estas fuerzas se vuelven prácticamente horizontales.

Las consecuencias son previsibles: “Cuando el anciano experimenta una ligera pérdida del equilibrio, el anciano generalmente recurre a las cadera para reequilibrarse. Con ello, aplica sobre el suelo fuerzas casi horizontales. Si está caminando sobre una alfombra con poca adherencia al suelo o sobre un terreno resbaladizo, tendrá una gran probabilidad de caerse”, concluye Duarte.

Un objetivo del investigador es construir un protocolo experimental que permita mensurar ambas estrategias y ayudar a las personas a desarrollar aquellas en la cuales sienten mayor dificultad. Para los ancianos que perdieron el dominio de los tobillos, el entrenamiento les ofrecerá la perspectiva de recuperar, al menos en parte, esa habilidad.

Los Proyectos
Estudio del Equilibrio Postural y de la Marcha de Ancianos en Ambientes Terrestres y Acuáticos
Modalidad
Programa Joven Investigador
Coordinador
Marcos Duarte – Facultad de Educación Física de la USP
Inversiones
R$ 223.795,04 y US$ 100.596,04

Republicar