Memahami Permasalahan Bernstein pada Gerakan Tangan Berulang dalam Perspektif Teori Chaos 

Gerak ritmik merupakan aktivitas penting bagi tubuh manusia dan sangat diperlukan untuk menunjang kegiatan sehari-hari, seperti berjalan, berlari, berenang, olahraga, dan menari. Ketika seseorang kehilangan kemampuan untuk melakukan gerakan ritmik berulang, ini menjadi sebuah tanda adanya kondisi tidak sehat dari sistem tubuhnya. Lebih jauh lagi, kondisi ini akan mengganggu kualitas hidup orang tersebut. Misalnya, dalam kasus cedera pasca stroke, kemungkinan besar pasien akan kehilangan kemampuan untuk melakukan gerakan tubuh yang komplek yang melibatkan gerakan ritmik berulang.

Sejarah variabilitas gerakan dalam tinjauan biomekanik dapat ditelusuri pada laporan Bernstein pada tahun 1967 dimana ketika manusia melakukan dua gerakan yang identik, lintasan gerakan pertama tidak pernah terulang pada gerakan kedua. Fenomena sederhana ini adalah bukti adanya variabilitas dalam gerakan manusia, dimana Bernstein menggunakan istilah pengulangan tanpa pengulangan (repetition without repetition) untuk mengekspresikannya. Sejak munculnya laporan Bernstein ini, studi tentang variabilitas dalam gerakan manusia, yang biasa disebut sebagai permasalahan Bernstein (Bernstein’s problem) telah menjadi topik penelitian utama di bidang ilmu gerakan manusia, biomekanik, dan gaya berjalan (gait) manusia. Variabilitas gerakan mencerminkan bahwa ada banyak kemungkinan solusi untuk mencapai gerakan yang identik. Kemudian pertanyaannya, bagaimana otak manusia memilih solusi untuk mencapai gerakan yang diinginkan di antara demikian banyaknya kemungkinan solusi. Hal ini  menjadi salah satu pertanyaan penelitian yang ingin dipecahkan oleh para ilmuan di bidang biomekanik. Gerak yang yang dipilih oleh otak manusia kemungkinan besar sangat dipengaruhi oleh kondisi kesehatan sistem muskuloskeletal. Oleh karena itu, pemahaman variabilitas gerak diperlukan untuk memahami sistem muskuloskeletal yang sehat.

Secara tradisional, variabilitas gerakan dimodelkan sebagai kesalahan (error) sistem atau noise sehingga dianggap sebagai kondisi yang tidak diinginkan yang berhubungan dengan adanya masalah kesehatan dalam tubuh orang tersebut. Sejalan dengan perkembangan dari teori sistem dinamik, penelitian terbaru telah memodelkan variabilitas gerakan dengan menggunakan pendekatan dinamika nonlinier, yang menganggap variabilitas dalam gerakan manusia sebagai faktor penting untuk mencapai sistem gerak tubuh yang sehat. Dengan menggunakan perspektif sistem dinamis, variabilitas gerakan dipandang sebagai sesuatu yang tidak dapat dihindari dan melekat pada sistem. Metoda pendeteksian chaos atau biasa disebut chaos tools, digunakan untuk menganalisa perilaku chaotic dari variabilitas gerakan manusia.

Meskipun pendekatan dinamika nonlinier terlihat sangat menjanjikan untuk  memahami sistem gerakan ritme tubuh manusia, akan tetapi masih menjadi sebuah perdebatan dikalangan peneliti dan ilmuan, apakah variabilitas gerakan memang benar-benar muncul akibat perilaku chaos dari sistem pergerakan manusia ataukah pola chaotic yang terdeteksi  adalah semata-mata disebabkan oleh karena noise dari pengukuran data. Hal ini disebabkan karena sistem Ordinary Differential Equation (ODE) dari kontrol gerak manusia biasanya tidak diketahui secara eksplisit, dan kondisi chaotic disimpulkan dari hasil pengolahan data yang diperoleh dari pengukuran berbasis eksperimen biomekanik. Hal ini dapat menjadi alasan keraguan dikarenakan mungkin saja perilaku chaos yang diamati tersebut adalah hasil dari noise alat pengukuran bukan dari benar-benar data biomekanik. Dengan demikian, kajian gerakan ritmik tubuh manusia dengan menggunakan sistem ODE sangat diperlukan untuk menjawab perdebatan ini. Sistem ODE akan menentukan aturan-aturan deterministik di mana berbagai perilaku dinamis dapat diamati dengan jelas tanpa adanya bias dari alat ukur. Riset yang dilakukan oleh Dr. Affiani Machmudah dan tim menyelidiki pendekatan pemodelan yang memungkinkan perilaku chaos muncul selama gerakan lengan planar berulang menggunakan sistem ODE. Berdasarkan pengetahuan penulis, ini adalah pertama kalinya sistem ODE yang melibatkan model postur tangan digunakan untuk mempelajari gerakan ritmik lengan manusia.

Karena sistem biologis dapat berinteraksi dengan lingkungan atau sistem alam lainnya dengan membuat kopling, model pertama adalah sistem kopling sistem lengan manusia dengan sistem dinamik nonlinier, yang mewakili fenomena nonlinier selama aktivitas gerakan tangan. Sistem ODE yang digunakan diadaptasi dari pendekatan robotik, yaitu gerakan manipulator seri planar 3-derajat kebebasan. Model kedua adalah sinkronisasi sistem lengan planar dengan sistem nonlinear oscillator dengan menerapkan pendekatan skema Proportional-Derivative (PD).

Hasil penelitian ini menunjukkan bahwa skema kopling dan sinkronisasi dapat digunakan untuk memodelkan mekanisme di mana perilaku chaotic muncul dalam gerakan lengan berulang. Respons sistem menunjukkan perilaku dinamis yang sangat menarik, di mana berbagai jenis solusi mulai dari periodik, kuasi-periodik, hingga chaotic dapat diamati. Jenis solusi ini, ditentukan oleh nilai parameter kopling dan parameter osilator nonlinier. Kopling dua arah (bi-directional) dengan skema lanjutan (advanced) diperlukan untuk terjadinya rute menuju chaos (route to chaos). Diperlukan nilai parameter k yang sangat kecil agar perilaku chaos ini terjadi. Dengan model skema PD, perilaku chaos dari gerakan lengan berulang planar muncul ketika sistem lengan planar diaktivasi oleh trajektori yang kacau (chaos). Respon sistem mengikuti sistem penggerak dengan respon transien tergantung pada nilai gain Kp dan Kv.

Menggunakan pendekatan dinamika nonlinier, yang melibatkan persamaan osilator nonlinier, untuk memodelkan sistem biologis manusia, detail nilai parameter sistem ODE akan berbeda dari orang ke orang tergantung pada kondisi kesehatan orang tersebut. Nilai tersebut dapat diperoleh melalui eksperimen. Secara matematis, pendekatan yang dikembangkan dalam penelitian ini mengeksplorasi variabilitas gerakan dalam bentuk variabel sudut orientasi. Hasil pada penelitian ini mungkin dapat mendukung hipotesis Goldberg, yang menyatakan bahwa perilaku chaos merepresentasikan keadaan sehat tubuh manusia. Kekuatan kopling yang lemah,  atau nilai parameter k yang kecil , dapat dianggap sebagai kondisi sehat dari sistem muskuloskeletal dimana sistem ini tahan terhadap kondisi stres sehari-hari. Emosi negatif yang bisa datang kapan saja, seperti kesedihan, ketakutan, kecemburuan, dan kemarahan, tidak akan terlalu berpengaruh pada kinerja sistem muskuloskeletal yang sehat.

Untuk model sinkronisasi, sudut orientasi dimodelkan sebagai osilator nonlinier, yang dapat bersinkronisasi dengan sistem dinamis lainnya. Hasil model sinkronisasi ini sangat mungkin bermanfaat dalam memahami fenomena yang terkait dengan ritme patologis, seperti penyakit Parkinson, di mana pasien kehilangan kemampuan untuk mengontrol gerakan tubuh. Diketahui dalam penelitian sebelumnya bahwa sinkronisasi yang berlebihan dapat menyebabkan ritme patologis. Studi eksperimental biomekanik lanjutan tentang gerakan tangan berulang diperlukan untuk mendukung kesimpulan pada penelitian ini dan untuk mengeksplorasi lebih lanjut pendekatan yang telah dikembangkan dalam rangka menganalisis tentang bagaimana cara mencapai sistem muskuloskeletal yang sehat.

Penulis artikel: Affiani Machmudah

Publikasi:  Machmudah, A.; Dutykh, D.; Parman, S. Coupled and Synchronization Models of Rhythmic Arm Movement in Planar Plane. Bioengineering 20229, 385. https://doi.org/10.3390/bioengineering9080385

Link artikel:   https://www.mdpi.com/2306-5354/9/8/385


Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *