Olympiavoittoon virtuaalimallin avulla
Auto- ja avaruusteknologian käyttämä virtuaalisuunnittelu sopii myös hiihtotekniikan analysointiin. Lappeenrannan teknillinen yliopisto ja Jyväskylän yliopisto tutkivat yhdessä maastohiihdon luistelutyyliä – tavoitteena hiihtonopeuden parantaminen.
Hiihtotekniikan tutkimuksessa käytettävä virtuaalihiihtäjä liikkuu kuin entinen maajoukkuehiihtäjä Olli Ohtonen. Virtuaalimallia varten Ohtonen on kahden viime talven aikana hiihtänyt Vuokatin hiihtoputkessa superlyhyttä matkaa erikoisvalmisteisessa hiihtopuvussaan. Mittaukset on tehty reilun 10 metrin pituisella latuosuudella, ja hiihtosuoritukset on kuvattu 16 kameralla.
Keskeistä informaatiota hiihtosuorituksesta välittävät Ohtosen jalkoihin, lantiolle ja selkään kiinnitetyt anturit. Dataa tallentava mittauslaitteisto kulkee hiihtäjän mukana selkärepussa.
– Anturit on kiinnitetty kehon liikkuviin kohtiin, isoihin lihaksiin ja niveliin, kertoo virtuaalisuunnittelun professori Aki Mikkola Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta.
Antureiden osoittamat liikeradat on mittausten jälkeen mallinnettu tietokoneelle ja niiden pohjalta on kehitetty virtuaalihiihtäjä, jonka suoritus voidaan muokata mahdollisimman optimaaliseksi.
Virtuaalimallit vaihtuivat koneista ihmiseen
Mikkola kiinnostui ihmiskehon liikkeistä ja niiden mallintamisesta muutama vuosi sitten biomekaniikan alaan kuuluvan tutkimuksen yhteydessä.
– Tutkimme kuntosaliharjoittelun vaikutuksia luiden vahvistumiseen, ja sitä varten olemme mallintaneet ihmisen luustoa, Mikkola kertoo.
– Konetekniikan laitoksen tutkimuskohteeksi ihmisen luusto – tai lihaksisto – on perin harvinainen, mutta koneitten dynamiikan virtuaalinen analysointi näyttää taipuvan hienosti myös ihmiseen, hän sanoo.
Hiihtotapaa hiotaan virtuaalimallin pohjalta
Maailman ensimmäiseen virtuaalihiihtotutkimukseen on otettu mallia Hollannista, missä Delftin yliopiston professori Arend Schwab on kehittänyt virtuaalimallin pikaluistelutekniikan tutkimusta varten.
Mikkola ja hänen jatko-opiskelijansa, venezuelalainen John Bruzzo, ovat puolestaan tehneet Schwabin mallista maastohiihdon luistelutyylin analysointiin sopivan sovelluksen.
”Esihiihtäjä” Ohtosen liikkeiden mukaan mallinnetun virtuaalihiihtäjän avulla voidaan selvittää, ovatko esimerkiksi hiihtoasento ja suksen liuku optimaalisia hiihtäjän kokoon, painoon ja voimantuotto-ominaisuuksiin nähden.
– Virtuaalimallin avulla voimme selvittää, onko hiihtäjän voimankäyttö tasapuolista tai luistelukulma kohdallaan, selvittää Mikkola.
Analyysin pohjalta voidaan sitten korjata hiihtoasentoa tai harjoittaa lihaksistoa siten, että kädet ja jalat toimisivat mahdollisimmat symmetrisesti.
– Tavoitteena on tietenkin vaikuttaa hiihtonopeuteen ja saada aikaan entistä parempia tuloksia, sanoo Mikkola.
Hienosäätöä huippuhiihtäjien valmennukseen
Menetelmää viimeistellään vielä, mutta kunhan se on valmis, voidaan sen pohjalta luoda jokaiselle hiihtäjälle oma malli yhtä hyvin huippuhiihtäjien kuin kuntourheilijoidenkin tarpeisiin.
Kaikki virtuaalihiihtäjän mallintamisessa tarvittu tieto on kerätty hallituissa olosuhteissa Vuokatin hiihtoputkessa. Ohtonen saa pistellä anturipuvussaan vielä kymmeniä kilometrejä ennen kuin tallessa on tarpeeksi yksityiskohtaista tietoa.
Lisää haasteita mallintamiseen tuovat mäet ja kaarteet, jotka hiihtoputkessa ovat lähes olemattomia, mutta kilpaladulla jyrkkiä ja tiukkoja.
Seuraavaksi virtuaalihiihtäjän kehittäjät keskittyvät sauvoihin, ja kun tietoa on riittävästi, voidaan mallintamista laajentaa muihinkin lajeihin.
Virtuaalihiihtotutkimus on Lappeenrannassa leviämässä yli tiedekuntarajojen. Ryhmä teknillisen yliopiston kauppatieteellisen tiedekunnan opiskelijoita alkaa selvittää, millaiset kaupallisen menestymisen mahdollisuudet hiihdon virtuaalimallilla saattaisi olla.
Tohtoriopiskelija oppi hiihtämään
– Hiihtämisessä on niin paljon outoja liikkeitä, että siitä tulee kipeäksi, kuvailee venezuelalainen John Bruzzo maastohiihtoa. Hiihto ei ole hänen lempilajinsa, vaikka hän tutkii hiihtotekniikkaa työkseen ja käy hiihtämässä vähintään kerran viikossa.
Kotimaassaan insinööriksi valmistunut Bruzzo oli nähnyt lunta vain kuvissa ennen kuin tuli kaksi ja puoli vuotta sitten Lappeenrantaan suorittamaan diplomi-insinöörin tutkintoa. Yllätyksekseen koneensuunnittelija saikin diplomityön aiheeksi hiihdon virtuaalisen mallintamisen. Hän tekee parhaillaan väitöskirjaa samasta aiheesta.
– Pakkohan minun oli opetella hiihtämään, vaikka se on todella vaikeaa, sanoo Bruzzo.
Hänen ohjaajansa, professori Aki Mikkola virnuilee vieressä, että hyvä, kun John on sentään hiihtämään oppinut.
– Suomen kielen kanssa on sitten vähän niin ja näin, kun englanti on vakiintunut työkieleksi, sanoo Mikkola.
VIRTUAALISUUNNITTELU
• matemaattinen menetelmä, jonka avulla mistä tahansa laitteesta tai elävästä olennosta voidaan luoda matemaattinen laskentamalli
• hyödynnetään mm. auto- ja avaruusteknologiassa, lääketieteessä
• malli tarkastellaan tietokonesimulaatiossa
Teksti: Ulla Ylönen
Kuvat: Ari Nakari.
