複雑な筋骨格モデルを用いた迅速な予測シミュレーションは、類似した制御戦略から多様な健康的および病的な人間の歩行が生じることを示唆しています

物理ベースの人間の動きの予測シミュレーションは、個別化医療を支援する可能性を秘めていますが、大きな計算コストと制御戦略のモデル化の困難さがその使用を制限してきました。私たちは、実験データに依存せず、パフォーマンス基準の最適化に基づいて人間の歩行を予測する計算効率の良い最適制御フレームワークを開発しました。このフレームワークは、直接コレーション、暗黙的微分方程式、およびアルゴリズム的微分を使用して、平均36分で筋肉駆動の三次元シミュレーションを生成します。これは既存のシミュレーションよりも20倍以上速いです。このフレームワークを使用して、エネルギーと労力の考慮を組み合わせた多目的パフォーマンス基準を特定し、生理的に現実的な歩行を生成しました。同じ基準は、歩行から走行への遷移や筋力低下および義肢使用による臨床的な歩行の欠陥も予測しました。これにより、多様な健康的および病的な歩行が同じ制御戦略から生じる可能性が示唆されています。複雑な三次元筋骨格モデルを使用して広範囲な歩行の力学とエネルギー学を予測する能力は、歩行制御に関する新しい仮説を検証し、神経筋骨格障害に対する最適な治療法の開発を促進します。