Grupos

AMB

GRUPO DE MECÁNICA APLICADA Y BIOINGENIERÍA

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Web: http://amb.unizar.es
Edificio Agustín de Betancourt; C/María de Luna, 7; 50018-Zaragoza

Presentación

El Grupo de Mecánica Aplicada y Bioingeniería (Applied Mechanics and Bioingeneering - AMB) está formado principalmente por profesores e investigadores del departamento de Ingeniería Mecánica de la Escuela de Ingeniería y Arquitectura (EINA) de la Universidad de Zaragoza. Los miembros de AMB desarrollan sus actividades docentes en los diferentes estudios de Ingeniería (titulaciones a extinguir) Grado y Postgrado de la EINA. Dentro de estos últimos participan activamente en los Másters de Ingeniería Biomédica y coordina el de Mecánica Aplicada, cuyo programa de doctorado posee Mención de Excelencia. Finalmente, el Grupo AMB tiene como línea principal de actuación el desarrollo de actividades de investigación. Para ello tiene en marcha diversos proyectos de investigación de diferente ámbito, internacional nacional y autonómico y promueve la colaboración con otros grupos de investigación tanto nacionales como europeos.


Experiencia

Los componentes de AMB poseen una amplia experiencia en el desarrollo de modelos numéricos y computacionales dentro de mecánica aplicada, más concretamente en el ámbito de mecánica del sólido deformable y mecánica estructural. No obstante, en los últimos años han desarrollado una creciente labor a la hora de llevar a cabo ensayos experimentales para la caracterización y posterior validación de los modelos. Hoy en día las principales líneas de trabajo dentro del grupo son: desarrollo de métodos numéricos avanzados, biomecánica y mecanobiología aplicada a tejidos biológicos blandos (músculo, ligamentos, vasos sanguíneos, córnea, etc), electrofisiología cardíaca y caracterización experimental de materiales.

Dentro del campo de la transferencia tecnológica a empresas, los miembros del grupo poseen experiencia tanto en el análisis estructural mediante elementos finitos de estructuras especiales o componentes del automóvil como en el desarrollo de software para cálculo específicos. Los ámbitos de dichos análisis engloban análisis estructural, análisis de plantas industriales, diseño de elementos mecánicos, comportamiento avanzado de materiales, entre otros.

Dichos análisis engloban el estudio del comportamiento de distintos materiales y componentes hasta su rotura, incluyendo daño, fatiga y resistencia. El objetivo principal es la predicción de la vida de componentes estructurales el desarrollo de modelos para la simulación de problemas de daño acumulado. En la figura se representa el daño acumulado en un componente absorbedor de vibraciones del automóvil.

Investigación

Según se ha comentado anteriormente, las líneas de investigación del grupo AMB están centradas principalmente en el desarrollo de modelos numéricos y computacionales avanzados y técnicas experimentales dentro de mecánica aplicada, y en muchas ocasiones con una fuerte componente de aplicación hacia la biomecánica y la mecanobiología. De este modo las principales líneas de investigación podrían englobarse en: Desarrollo de modelos numéricos avanzados, modelado del sistema musculo-esquelético, modelado del sistema cardiovascular, electrofisiología cardíaca y caracterización experimental de materiales.

1. Desarrollo de métodos de simulación avanzados

Esta línea se ocupa del desarrollo de técnicas numéricas de simulación que permitan hacer frente a las dificultades planteadas por el resto de las líneas. En su origen, los investigadores que actualmente trabajan en esta línea han sido responsables de importantes desarrollos en el ámbito de las técnicas denominadas “sin malla”, en la que son hoy día un grupo reconocido a nivel internacional por sus aportaciones en los métodos de elementos naturales y de máxima entropía.

Actualmente, el grupo trabaja fundamentalmente en el desarrollo de métodos de reducción de modelos con aplicación a la simulación en tiempo real en distintos ámbitos. Destacan las aplicaciones a los simuladores quirúrgicos, en los que han logrado incorporar leyes de comportamiento sofisticadas a la simulación en tiempo real de tejidos biológicos blandos. Particular mención merecen las aplicaciones de simulación en las llamadas plataformas “desplegadas” (deployed, en inglés) como teléfonos inteligentes y tabletas.

2. Modelado del tejido musculo-esquelético

El objetivo de esta línea es el modelado mediante elementos finitos del comportamiento del tejido muscular, tanto desde el punto de vista pasivo, es decir caracterizando la respuesta del tejido antes cargas exteriores, como el activo, es decir hemos de ser capaces de reproducir la fuerza generada por las fibras musculares en los diferentes tipos de contracción. Dichos modelos reproducen respuesta elástica y viscoelástica del tejido así como  la pedida de propiedades bien por daño o rotura de fibras o fatiga muscular y nos permitirían estudiar el comportamiento ante diferentes tratamientos, colocación de prótesis, etc . Para que los modelos reproduzcan fielmente el comportamiento del tejido hemos de disponer de una adecuada caracterización experimental de los diferentes de tejidos. Las curvas tensión-deformación nos permitirán también evaluar la respuesta del tejido ante diferentes dietas o tratamientos.

3. Modelado del sistema cardiovascular

Dentro de esta línea se vienen desarrollando, desde hace varios años, modelos avanzados para simulación del comportamiento del tejido vascular. Partiendo de un marco general de hiperelasticidad anisótropa fibrada, los modelos incluyen fenómenos como inelásticos como daño, viscoelasticidad o tensiones residuales. Así mismo, se están desarrollando modelos que incorporan efectos evolutivos como crecimiento o remodelación. El estudio se plantea desde un punto de vista multiescala y multifísico. Es decir, incorporar aspectos de carácter microestructural que determinan el comportamiento macroscópico del tejido, como son la distribución probabilista de las fibras embebidas en el tejido, principalmente elastina y colágeno o estudiante el acoplamiento entre la sangre y el vaso en modelo de interacción fluido-estructura. Dichos modelos se vienen aplicando a distintas situaciones de interés clínico, principalmente relacionadas con la patología aterosclerótica: iniciación de aparición de placa, predicción de vulnerabilidad, interacción del vaso con dispositivos clínicos como stents o filtros antitrombos, simulación de distintas técnicas quirúrgicas, etc. Existen intensos contactos con grupos de carácter clínico.

También es importante destacar la experiencia que posee el grupo en el desarrollo de ensayos experimentales para la caracterización de tejido biológico, y más concretamente vasos sanguíneos. Hasta el momento se han desarrollado ensayos de tracción uniaxial, y se están poniendo a punto técnicas para ensayos de inflado y biaxiales. Se han publicado numerosos estudios analizando el comportamiento de distintos vasos para diferentes modelos animales que van desde animales de tamaño medio, como son los especimenes ovinos o porcinos, hasta de menor tamaño como ratas o ratones.
 
4. Modelado de electrofisología cardiaca

El objetivo de esta línea es el estudio “in-silico” de la electrofisiología de la célula cardiaca en condiciones normales y patológicas, y su relación con la señal del electrocardiograma. Para ello se sigue una aproximación multiescala del problema en el que la actividad a nivel celular se acopla con modelos de tejido que dan origen al órgano que posteriormente se acoplan al torso sobre el que se reconstruye la señal del electrocardiograma, tal y como se muestra en la Figura.

Para lograr este objetivo se han desarrollado programas especializados basados en el método del elemento finito que permitan manejar la integración de sistemas de ecuaciones diferenciales rígidos de manera eficiente y que explotan la computación paralela de altas prestaciones.


5. Caracterización experimental de materiales

El objetivo de esta línea de investigación es el estudio experimental del comportamiento mecánico y microestructural de materiales con especial énfasis en biomateriales y tejidos biológicos. El análisis de su composición, morfología, microestructura y comportamiento macroscópico nos permite el desarrollo de modelos de comportamiento avanzados que reproducen el comportamiento de estos materiales y que posteriormente pueden ser utilizados en otras líneas de investigación. Para todo ello en el grupo se desarrollan y realizan ensayos uniaxiales, biaxiales, de compresión, tensión tangencial, identación, inflado, tomografías, histologías, así como ensayos para caracterizar el comportamiento elástico, viscoelástico, fatiga, reblandecimiento etc.

Instalaciones

Las instalaciones del grupo AMB están distribuidas entre los Edificios Agustín de Betancourt y Edificio de Institutos de Investigación, ambos situados en el Campus Río Ebro de la Universidad de Zaragoza. Aparte de los despachos, salas comunes, salas de reuniones, salas de informática, conviene destacar las instalaciones de laboratorios existentes en el espacio adscrito al I3A en el edificio de Institutos de Investigación. Dentro del laboratorio de caracterización tisular, el grupo utiliza equipamiento para la realización de ensayos mecánicos sobre tejidos biológicos, centrado en la caracterización de sus propiedades mecánicas. Así mismo, las instalaciones cuentan con un laboratorio para realización de análisis histológicos.

Financiación

Las fuentes de financiación del grupo AMB provienen principales de proyectos de investigación, tanto de carácter público como privado. Sus miembros han sido investigadores principales de numerosos proyectos de investigación de Plan Nacional de I+D+i, proyectos de investigación del Gobierno de Aragón, Acciones Integradas, etc., así como han participado en proyectos europeos del VI Programa Marco. Dentro de las actividades de transferencia hacia el sector productivo han realizado proyectos relacionados con el ámbito estructural, instalaciones de plantas industriales, diseño de componentes mecánicos, caracterización y modelado de materiales, etc.

Estructura y personal

Actualmente el grupo AMB está formado por diez profesores del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza (tres catedráticos de universidad, seis profesores titulares, un contratado doctor, un ayudante doctor y un profesor asociado). Aproximadamente una decena de estudiantes de doctorado se encuentran realizado su tesis doctoral gracias a diversas fuentes de financiación: becas predoctorales oficiales (FPI, Gobierno de Aragón), contratos a cargo de proyectos de investigación o contratos de inicio de investigación. A su vez, existe diverso personal de apoyo a la investigación colaborando con los miembros del grupo sobre todo en los aspectos relativos a técnicas experimentales en el laboratorio de caracterización tisular.

Contacto

Edificio Agustín de Betancourt; C/María de Luna, 7; 50018-Zaragoza

Responsable del grupo

Miguel Ángel Martínez Barca

Miembros del grupo

Personal adscrito al grupo