Tổng quan nghiên cứu

Ứng xử cơ học của da người là một lĩnh vực nghiên cứu phức tạp do đặc tính sinh học đa lớp và tính phi tuyến của da. Theo ước tính, da người có cấu trúc gồm nhiều lớp như biểu bì, hạ bì và dưới da, mỗi lớp có đặc tính cơ học riêng biệt, gây khó khăn trong việc mô phỏng chính xác. Việc hiểu rõ các đặc tính cơ học của da đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như y sinh, thiết kế dụng cụ y tế, mỹ phẩm, và công nghệ mô phỏng chuyển động. Mục tiêu chính của luận văn là xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (FEM) mô phỏng ứng xử cơ học của da người, đặc biệt là da vùng khủy tay, dựa trên mô hình vật liệu siêu đàn hồi Ogden. Nghiên cứu tập trung vào phân tích phi tuyến, biến dạng lớn của da trong khoảng thời gian thực hiện từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, sử dụng dữ liệu thực nghiệm từ các thí nghiệm in vivo. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp mô hình chuẩn và các thông số vật liệu chính xác, giúp giảm chi phí và thời gian thực hiện thí nghiệm thực tế, đồng thời hỗ trợ phát triển các ứng dụng y sinh và kỹ thuật mô phỏng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai lý thuyết chính trong mô phỏng cơ học da người:

  1. Mô hình vật liệu siêu đàn hồi Ogden: Đây là mô hình vật liệu phi tuyến, đẳng hướng, không nén được, được sử dụng để mô tả ứng xử cơ học của da người dưới biến dạng lớn. Hàm năng lượng biến dạng của mô hình Ogden được biểu diễn qua các độ giãn chính $\lambda_i$ và các tham số vật liệu $\mu_r$, $\alpha_r$. Mô hình này có khả năng mô phỏng chính xác các biến dạng lớn lên đến 700%, phù hợp với đặc tính của da người.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm ANSYS Workbench để xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho da người. Hai loại phần tử được sử dụng là PLANE183 cho mô hình 2D và SOLID186 cho mô hình 3D, cả hai đều hỗ trợ mô phỏng vật liệu siêu đàn hồi với biến dạng lớn. Phương pháp này cho phép giải bài toán phi tuyến với các điều kiện biên và tải trọng thực tế, đồng thời so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để xác định tính phù hợp của mô hình.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: độ giãn chính $\lambda_i$, tensor ứng suất Piola-Kirchhoff bậc hai, và hàm mật độ năng lượng biến dạng $W$ theo mô hình Ogden.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả thực nghiệm in vivo về chuyển vị da vùng khủy tay của các tình nguyện viên khỏe mạnh, được thu thập bằng hệ thống “Nắm bắt chuyển động” với 42 điểm đánh dấu phản quang và hệ thống camera quang học độ chính xác cao (số dư trung bình khoảng 0.05 mm). Dữ liệu này cung cấp thông tin về biến dạng da dưới tác động lực kéo.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 2D và 3D với kích thước tấm da 80x60 mm (và độ dày 2 mm cho mô hình 3D).
  • Áp dụng mô hình vật liệu Ogden với các cặp tham số $\mu = 10$ Pa và $\alpha$ thay đổi trong khoảng 40 đến 120.
  • Chia lưới phần tử với các mức độ thô, trung bình và mịn để khảo sát tính độc lập lưới.
  • So sánh kết quả chuyển vị mô phỏng tại các điểm đánh dấu với dữ liệu thực nghiệm để xác định cặp tham số vật liệu phù hợp nhất.
  • Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 6/2022, tập trung vào mô phỏng và phân tích số.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác thực mô hình phần tử hữu hạn: Mô hình tấm mỏng với lỗ tròn trung tâm được mô phỏng bằng ANSYS Workbench cho kết quả chuyển vị tương đồng với mô hình tham khảo từ phần mềm ABAQUS, sai số dưới 5%, chứng minh tính chính xác của phương pháp.

  2. Mô hình 2D da người: Qua ba mức chia lưới (48, 192, 768 phần tử), cặp tham số Ogden $(\mu=10, \text{Pa}, \alpha=110)$ cho kết quả chuyển vị gần nhất với dữ liệu thực nghiệm, sai số trung bình giảm từ khoảng 11.85% (lưới thô) xuống còn khoảng 8.2% (lưới trung bình).

  3. Mô hình 3D da người: Với ba mức chia lưới tương tự, cặp tham số Ogden $(\mu=10, \text{Pa}, \alpha=120)$ cho kết quả chuyển vị phù hợp nhất, sai số trung bình khoảng 2.61% với lưới thô và 6.2% với lưới trung bình. Mô hình 3D mô phỏng chính xác hơn mô hình 2D, thể hiện rõ ứng xử biến dạng thực tế của da, bao gồm hiện tượng "bow wave".

  4. Ứng dụng mô hình trong mô phỏng vết thương hở: Mô hình vật liệu Ogden được áp dụng để mô phỏng ứng xử da có vết thương hở dưới tác động của khung kéo da, giúp minh họa khả năng ứng dụng trong điều trị y sinh.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy mô hình vật liệu Ogden với các tham số $\mu=10$ Pa và $\alpha$ trong khoảng 110-120 phù hợp để mô phỏng ứng xử cơ học của da người vùng khủy tay. Mô hình 3D cho kết quả chính xác hơn mô hình 2D do tính toán được ảnh hưởng của biến dạng theo trục thứ ba. Sai số giảm khi tăng độ mịn của lưới phần tử, tuy nhiên chi phí tính toán cũng tăng theo. So với các nghiên cứu trước, kết quả này khẳng định tính khả thi của phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến kết hợp mô hình Ogden trong mô phỏng da người. Việc mô phỏng vết thương hở mở ra hướng ứng dụng thực tiễn trong y học, đặc biệt trong thiết kế các thiết bị hỗ trợ điều trị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh chuyển vị tại các điểm đánh dấu giữa mô phỏng và thực nghiệm, cũng như bảng tổng hợp sai số tương ứng với từng mức chia lưới và tham số vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường mô hình 3D với lưới mịn hơn: Để nâng cao độ chính xác mô phỏng, nên áp dụng lưới phần tử mịn hơn cho mô hình 3D trong vòng 6-12 tháng tới, do các kết quả cho thấy lưới mịn giảm sai số đáng kể.

  2. Mở rộng phạm vi nghiên cứu vùng da khác: Nghiên cứu nên được mở rộng sang các vùng da khác như mặt, lưng để kiểm tra tính tổng quát của mô hình Ogden, với mục tiêu hoàn thành trong 1-2 năm.

  3. Phát triển mô hình mô phỏng vết thương phức tạp hơn: Tăng cường mô phỏng các loại vết thương hở đa dạng, kết hợp với mô hình sinh học để hỗ trợ điều trị y tế, thực hiện trong 1-3 năm tới.

  4. Ứng dụng trong thiết kế dụng cụ y tế và mỹ phẩm: Sử dụng mô hình đã xác định để tối ưu hóa thiết kế các sản phẩm tiếp xúc với da, giảm thiểu tổn thương và tăng hiệu quả sử dụng, triển khai ngay trong các dự án phát triển sản phẩm.

Các giải pháp trên cần sự phối hợp giữa các nhà nghiên cứu cơ kỹ thuật, y sinh và các doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu cơ kỹ thuật và cơ sinh học: Được cung cấp mô hình vật liệu và phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn để nghiên cứu ứng xử cơ học của mô mềm, phục vụ phát triển các nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Chuyên gia y sinh và thiết kế thiết bị y tế: Áp dụng kết quả mô phỏng để thiết kế các dụng cụ tiếp xúc da như khung kéo vết thương, thiết bị bảo vệ da, giúp nâng cao hiệu quả điều trị và an toàn cho người dùng.

  3. Kỹ sư phát triển sản phẩm mỹ phẩm và chăm sóc da: Sử dụng mô hình để đánh giá tác động cơ học của sản phẩm lên da, từ đó tối ưu công thức và thiết kế sản phẩm phù hợp với đặc tính da người.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành cơ kỹ thuật, y sinh: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình lý thuyết và kỹ thuật mô phỏng để phát triển luận văn, đề tài nghiên cứu liên quan đến cơ học mô mềm và mô phỏng số.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình Ogden có ưu điểm gì so với các mô hình vật liệu khác?
    Mô hình Ogden linh hoạt, mô phỏng chính xác biến dạng lớn lên đến 700%, phù hợp với vật liệu siêu đàn hồi như da người, đồng thời dễ dàng áp dụng trong phân tích phần tử hữu hạn.

  2. Tại sao cần mô hình 3D thay vì chỉ mô hình 2D?
    Mô hình 3D mô phỏng chính xác hơn ứng xử thực tế của da, bao gồm biến dạng theo trục thứ ba, giảm sai số so với mô hình 2D, đặc biệt quan trọng khi nghiên cứu các ứng dụng y sinh.

  3. Phương pháp “Nắm bắt chuyển động” được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Hệ thống này sử dụng các điểm đánh dấu phản quang và camera quang học để ghi lại chuyển vị da người sống dưới tác động lực kéo, cung cấp dữ liệu thực nghiệm chính xác làm cơ sở cho mô phỏng.

  4. Sai số mô phỏng có thể giảm thêm bằng cách nào?
    Tăng độ mịn của lưới phần tử, cải tiến mô hình vật liệu với nhiều tham số hơn, và mở rộng dữ liệu thực nghiệm đa dạng hơn sẽ giúp giảm sai số mô phỏng.

  5. Ứng dụng thực tiễn của mô hình này là gì?
    Mô hình hỗ trợ thiết kế dụng cụ y tế, mỹ phẩm, mô phỏng điều trị vết thương hở, và phát triển các công nghệ mô phỏng chuyển động trong hoạt hình hoặc robot tương tác với da người.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến mô phỏng ứng xử cơ học da người vùng khủy tay dựa trên mô hình vật liệu siêu đàn hồi Ogden.
  • Thông số vật liệu Ogden phù hợp nhất được xác định là $\mu=10$ Pa, $\alpha=110$ cho mô hình 2D và $\alpha=120$ cho mô hình 3D.
  • Mô hình 3D cho kết quả chính xác hơn mô hình 2D, với sai số chuyển vị so với thực nghiệm dưới 3% ở lưới thô.
  • Ứng dụng mô hình trong mô phỏng vết thương hở cho thấy tiềm năng hỗ trợ điều trị y sinh và thiết kế thiết bị y tế.
  • Đề xuất phát triển mô hình chi tiết hơn và mở rộng phạm vi nghiên cứu trong các năm tiếp theo nhằm nâng cao độ chính xác và ứng dụng thực tiễn.

Để tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng, các nhà khoa học và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình và phương pháp trong luận văn, đồng thời phối hợp đa ngành để phát triển các giải pháp y sinh và kỹ thuật mới.