Matematické modelování v technice

Modelování je tvůrčí proces, který kombinuje řadu dovedností na pomezí strojařiny, matematiky a fyziky. Cílem činností vyvíjených na Fakultě strojní ČVUT v Praze je hlubší poznání chování strojů a jejich dílců a výzkum a vývoj zaměřený na jejich zlepšení. Zabýváme se optimalizacemi struktur strojů a modelováním jejich chování, vyvíjíme digitální modely. Výzkum zahrnuje i modelování interakcí komplexních systémů s okolím. Významné uplatnění nachází modelování například v biotechnických aplikacích.

Význam biomechaniky pro člověka a společnost, aneb jak stará byla babička z knihy Boženy Němcové

Implantologie je jednou z nejvýznamnějších částí medicíny, která pomáhá zlepšovat kvalitu života člověka. Například artróza je onemocnění kloubů objevující se až u 80% osob po padesátém roku života. Tato nemoc ničí kloubní tkáně, způsobuje bolest a zhoršenou hybnost. V dnešní době již téměř nepotkáte člověka, který by z důvodu artrózy nemohl chodit, ale vzpomeňte si na filmy či knihy vykreslující dřívější dobu, kde starší lidé často byli málo pohybliví či upoutaní na invalidní vozík. Například babičce v knize Boženy Němcové bylo 55 let a je vyobrazena jako sešlá stařenka, ale v dnešní době je to věk, kdy jsou lidé ještě plně aktivní a produktivní. Kloubní náhrada tak může člověka vrátit do plnohodnotného života, kdy je opět soběstačný, pohyblivý, a může i pracovat a být ekonomicky přínosný. Tento aspekt nabývá ještě na celospolečenském významu spolu se zvyšujícím se věkem populace. Lidé chtějí žít aktivně i ve vyšším věku, naše tělo na to ale není připraveno, protože degenerativní změny organismu začínají již v mladém věku.

Největší přínosy vývoje bioimplantátů na Fakultě strojní ČVUT v Praze

Každý implantát můžeme vnímat jako strojní výrobek, který má určitý tvar, vlastnosti, je vyroben z nějakého materiálu. Neumíme vytvořit implantát z přesně stejného materiálu jako je kost či chrupavka, ale snažíme použít materiál, který může v lidském těle dlouhodobě fungovat. Biologické řešení nahrazujeme technickým řešením, přičemž každý technický materiál má specifické vlastnosti a podle toho k němu přistupujeme. Aby implantát dobře plnil funkci a měl predikovatelnou životnost, musíme rozumět materiálu, ze kterého je vyroben, ale také chápat mechaniku zatížení a interakce s okolní tkání. Navrhujeme tak spíše „strojní“ součást, která by v ideálním případě měla mít neomezenou životnost, aby byla bez údržby funkční tak dlouho, jak ji systém, ve kterém bude užita, bude potřebovat. A aby kloub po výměně vydržel a fungoval člověku po celý zbytek života.

Vyvíjíme a optimalizujeme implantáty nejen s ohledem na jejich funkci a životnost, ale také zohledňujeme způsob jejich implantace a jak může materiál interagovat s prostředím, ve kterém bude umístěn, včetně toho, aby v případě selhání bylo možné implantát opět z těla vyjmout. Provádíme numerické výpočty i experimenty testující životnost a zahrnující řadu zkoušek a testů, například otěru, únavy a další. Kromě implantologie se zabýváme také kardiovaskulární biomechanikou či v základním výzkumu vývojem umělé buňky a mechanikou nervových buněk.

Nikdo z nás si nepřeje, aby někdy v životě potřeboval nějaký implantát, ale všichni víme, že nás to jednou pravděpodobně čeká. Chceme žít plnohodnotný život, ve kterém jsme soběstační, můžeme se pohybovat, sportovat atd. A proto vyvíjíme takové náhrady, které nám to umožní a budou nám sloužit do konce života.

Biomechanika člověka – kosterní a kloubní náhrady

Exponát prezentuje možnosti svalově-kosterních náhrad v lidském těle, které jsou vyvíjeny a testovány na Fakultě strojní ČVUT v Praze. Jedná se o dentální náhrady, náhradu ramenního kloubu, páteřní meziobratlové ploténky, náhradu meziobratlového disku, kyčelní jamky, femuru, kolene, náhradu lokte po onkologickém onemocnění, fixátory páteře, lokte, pánve, kotníku, zápěstí, kosti stehenní a holenní.