Hoffe auf eine künstliche Hand mit neuer Simulation

Die menschliche Hand gehört zu den erstaunlichsten und kompliziertesten Teilen des Körpers, da sie je nach Bedarf sowohl rohe Kraft als auch feinfühlige Manipulationen ausüben kann. Trotz jahrzehntelanger Forschung wissen Wissenschaftler nur wenig über die zugrunde liegende Struktur und die Funktionsweise der Muskeln und Sehnen, um die vielen Knochen der Hand im Verhältnis zueinander zu bewegen. Ohne zu wissen, wie eine echte Hand aufgebaut ist, ist es fast unmöglich, ein Modell zu bauen, das ihre Anatomie und Bewegungen nachbildet. Dieser Mangel an Insiderinformationen ist der Grund, warum die Erstellung einer Computersimulation der Arbeit einer menschlichen Hand eines der schwierigsten Probleme in der Welt der Computergrafik und insbesondere der Animation ist.

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Jetzt heißt es in einer neuen Studie Handmodellierung und Simulation mittels stabilisierter Magnetresonanztomographieberichtet bei ACM SIGGRAPH zeigt eine Simulation, die nicht nur die Haut, sondern auch die Muskeln, die Knochen, die Sehnen und die Gelenke einbezieht.

Die Hand ist sehr kompliziert, aber vor dieser Arbeit hatte niemand ein genaues Rechenmodell dafür erstellt, wie sich anatomische Strukturen im Inneren der Hand tatsächlich bewegen, wenn sie artikuliert wird.“

Forscher Jernej Barbic

Das gekonnt detaillierte Modell könnte die Entwicklung einer künstlichen Hand vorantreiben und darüber hinaus von entscheidender Bedeutung für die Ausbildung einer neuen Generation von Medizin- und Paramedizinstudenten, den Bau von Roboterhänden und Simulationen für Virtual-Reality-Trainingsmodelle und -Spiele sein.

Wie sie es gemacht haben

Der erste Schritt bestand darin, ein Team aus Experten für Computeranimation und solchen zu bilden, die sich mit der Erstellung von Simulationen auf der Grundlage der physischen Realität auskennen, sowie aus Radiologen und anderen anatomischen Spezialisten.

Die nächste Herausforderung bestand darin, die richtige Bildgebungsmethode zu finden, die systematisch Details der Anatomie der Hand bei jedem Schritt ihrer Bewegung erfassen kann. MRT-Scans liefern eine Fülle detaillierter Informationen über die Anatomie der Hand, erfordern jedoch, dass die Hand in jeder Pose etwa 10 Minuten lang völlig bewegungslos bleibt – was realistischerweise nicht erreichbar ist.

Barbic sagt: „Es ist praktisch unmöglich, die Hand 10 Minuten lang in einer festen Haltung ruhig zu halten. Eine Faust lässt sich leichter ruhig halten, aber versuchen Sie, Ihre Hand halb zu schließen, und Sie werden feststellen, dass Sie nach etwa ein oder zwei Minuten anfangen zu zittern. Du kannst es nicht 10 Minuten lang ruhig halten.“

Herstellung einer Stützform

Um dies zu erreichen, richteten sie daher einen Produktionsprozess ein, um die Hand in jeder Pose stabil zu halten, und verwendeten dabei Materialien aus dem Bereich der Spezialeffekte. Beim Lifecasting wird die menschliche Form zunächst geformt und dann aus Kunststoff, Silikon oder anderen Materialien wieder aufgebaut. Barbic fand in einem Geschäft für visuelle Effekte ein günstiges und leicht erhältliches Tool zum Klonen einer menschlichen Hand. Barbic sagt über seinen Fund: „Das war der Aha-Moment.“

Der dritte Schritt bestand darin, einen Plastikabdruck der Hand zu erstellen, den sie abbilden wollten, der jedes kleinste Detail zeigte, einschließlich der Poren und winzigen Linien auf der Hautoberfläche. Sie bauten einen Lebensabdruck aus einem elastischen Gummimaterial und stellten so eine 3D-Negativform her, die die echte Hand ergonomisch so lange in der erforderlichen Position halten konnte, wie es für die Durchführung des MRT-Scans erforderlich war. Nun wurden 10-minütige Scans der Hand jeweils in einer anderen Position an einem männlichen und einem weiblichen Modell angefertigt. Insgesamt gab es 120 Scans.

Knochenbewegungen verstehen

Die Wissenschaftler zerschnitten die gesamte Hand für jede Pose in gleiche Segmente, sogenannte Knochennetze, entsprechend dem Netz aus verbundenen Eckpunkten und Dreiecken des Animators. Diese helfen zu zeigen, wie einzelne Knochen in jeder Pose ihre Position veränderten. Am Ende konnten die Wissenschaftler für jede Handhaltung den genauen Bewegungsapparat in Aktion beschreiben. Dies war von grundlegender Bedeutung für die Erstellung eines präzisen Knochenaufbaus, der auf interpolativen und extrapolativen MRT-basierten Daten für alle Knochennetze basiert.

Erstellen der bewegten Animation

Dies führte zum letzten Schritt: der Konstruktion einer Bewegungssimulation, die es ermöglicht, jede mögliche Handhaltung zu modellieren, indem die zugrunde liegenden Daten zur Skelettbewegung verwendet werden, einschließlich komplexer Drehungen und Verschiebungen der einzelnen Knochen bei verschiedenen Arten von Handbewegungen.

Die Weichteilsimulation wurde dann mithilfe einer Methode namens FEM (Finite-Elemente-Methode) erstellt, um die berechnete Bewegung der Muskeln, Sehnen und des damit verbundenen Fettgewebes der Hand einzubeziehen, wie sie von der Skelettbewegung erwartet wird. Sie führten Modifikationen ein, die eine stabile und originalgetreue Darstellung von Hautfalten und -falten bei Gelenkbewegungen ermöglichen. Schließlich fügten sie die Oberflächendetails hinzu, was in einer sich gleichmäßig bewegenden animierten Hand gipfelte, die jede Position einnehmen kann, auch eine, die nicht Teil des Originalsets ist.

Wert dieser Simulation

Natürlich wird die Arbeit für diejenigen, die Computerspiele und Filme auf Basis computergenerierter Bilder (CGI) entwerfen und produzieren, äußerst wertvoll sein.

Dies ist derzeit das genaueste verfügbare Handanimationsmodell und das erste, das Laserscannen der Handoberflächenmerkmale mit einem zugrunde liegenden Knochenmanipulationsmodell auf der Basis von MRT kombiniert.“ Barbic fügt hinzu: „Das Verständnis der Bewegung der inneren Anatomie der Hand öffnet die Tür für biologisch inspirierte Roboterhände, die wie echte Hände aussehen und sich verhalten.“

Co-Forscher George Matcuk

Im nächsten Schritt wollen die Forscher ihre MRT-Daten öffentlich zugänglich machen und über einen Zeitraum von drei Jahren viele weitere Posen hinzufügen, die an insgesamt zehn Modellen aufgenommen wurden. Dies wird dazu beitragen, die menschliche Hand zu simulieren und schließlich nachzubilden. Es könnte auch genutzt werden, um Medizinstudenten zu erreichen, die verstehen müssen, wie sich die Hand bewegt und wie sie aufgebaut ist. Laut Matcuk, „Wenn wir diese Arbeit verfeinern, denke ich, dass dies ein hervorragendes Lehrmittel für meine Studenten und andere Ärzte sein könnte, die ein Verständnis für die komplexe Anatomie und Biomechanik der Hand benötigen.“

Das Team möchte außerdem die Empfindlichkeit des Modells gegenüber Muskel- und Sehnenbewegungen verbessern, sodass es in Echtzeit auf tatsächliche Bewegungen reagieren kann, im Gegensatz zum derzeit einstündigen Berechnungsprozess für eine minutenlange Simulation. Ihr Ziel ist es, die Geschwindigkeit des Datenabrufs und der Datenberechnung zu erhöhen, ohne die Qualität der Simulation zu beeinträchtigen.

Quellen: