Надявам се на изкуствена ръка с нова симулация

Надявам се на изкуствена ръка с нова симулация

Човешката ръка е една от най-удивителните и сложни части на тялото, способна да упражнява както груба сила, така и деликатна манипулация, ако е необходимо. Въпреки десетилетия изследвания, учените знаят малко за основната структура и как работят мускулите и сухожилията, за да движат много кости на ръката една спрямо друга. Без да знаем как е конструирана една истинска ръка, е почти невъзможно да се изгради модел, който възпроизвежда нейната анатомия и движения. Тази липса на вътрешна информация е причината създаването на компютърна симулация на работата на човешка ръка да е един от най-трудните проблеми в света на компютърната графика и в частност на анимацията.

белуши | Shutterstock

Ето какво казва ново проучванеМоделиране и симулация на ръцете с помощта на стабилизиран магнитен резонансдокладвано в ACM SIGGRAPH показва симулация, която включва не само кожата, но и мускулите, костите, сухожилията и ставите.

Ръката е много сложна, но преди тази работа никой не беше създал точен изчислителен модел за това как анатомичните структури вътре в ръката действително се движат, когато тя е артикулирана.

Изследователят Йерней Барбич

Експертно подробният модел може да ускори развитието на изкуствена ръка и също така може да бъде от решаващо значение за обучението на ново поколение студенти по медицина и парамедици, изграждане на роботизирани ръце и симулации за модели и игри за обучение във виртуална реалност.

Как са го направили

Първата стъпка беше да се създаде екип от експерти по компютърна анимация и специалисти в създаването на симулации, базирани на физическата реалност, както и рентгенолози и други анатомични специалисти.

Следващото предизвикателство беше да се намери правилният метод за изобразяване, който може систематично да улови детайли от анатомията на ръката на всяка стъпка от нейното движение. MRI сканирането предоставя богата подробна информация за анатомията на ръката, но изисква ръката да остане напълно неподвижна във всяка поза за около 10 минути - което не е реалистично постижимо.

Барбик казва:„На практика е невъзможно да задържите ръката си стабилна във фиксирана позиция за 10 минути. Юмрукът е по-лесен за задържане неподвижен, но опитайте да затворите ръката си наполовина и ще откриете, че след около минута или две започвате да треперите. Не можете да го задържите неподвижен за 10 минути.“

Изготвяне на формуляр за поддръжка

Ето защо, за да постигнат това, те създават производствен процес, за да поддържат ръката стабилна във всяка поза, използвайки материали от областта на специалните ефекти. При лайфкастинг човешката форма първо се формира и след това се възстановява с помощта на пластмаса, силикон или други материали. Барбик намери евтин и лесно достъпен инструмент за клониране на човешка ръка в магазин за визуални ефекти. Барбич казва за откритието си: „Това беше аха моментът.“

Третата стъпка беше да се създаде пластмасова отливка на ръката, която искаха да изобразят, показвайки всеки детайл, включително порите и малките линии по повърхността на кожата. Те изградиха живот, излят от еластичен гумен материал, създавайки 3D негативна форма, която можеше ергономично да държи истинската ръка в желаната позиция толкова дълго, колкото е необходимо за завършване на MRI сканирането. Сега бяха направени 10-минутни сканирания на ръката в различна позиция на мъжки и женски модел. Имаше общо 120 сканирания.

Разбиране на движенията на костите

За всяка поза учените нарязват цялата ръка на равни сегменти, наречени костни мрежи, според мрежата от свързани върхове и триъгълници на аниматора. Те помагат да се покаже как отделните кости променят позицията си във всяка поза. В крайна сметка учените успяха да опишат точната мускулно-скелетна система в действие за всяка позиция на ръцете. Това беше фундаментално за създаването на прецизна костна присадка на базата на интерполативни и екстраполативни данни, базирани на ЯМР, за всички костни мрежи.

Създаване на движеща се анимация

Това доведе до последната стъпка: конструиране на симулация на движение, която позволява моделиране на всяка възможна поза на ръцете, като се използват основните данни за движение на скелета, включително сложни ротации и премествания на отделни кости по време на различни видове движения на ръцете.

След това симулацията на меките тъкани беше създадена с помощта на метод, наречен FEM (метод на крайните елементи), за да се включи изчисленото движение на мускулите на ръката, сухожилията и свързаната мастна тъкан, както се очаква от движението на скелета. Те въведоха модификации, които позволяват стабилно и вярно представяне на кожни гънки и гънки по време на движения на ставите. Накрая те добавиха детайлите на повърхността, кулминирайки в плавно движеща се анимирана ръка, която може да заеме всяка позиция, дори такава, която не е част от оригиналния комплект.

Стойността на тази симулация

Разбира се, работата ще бъде изключително ценна за тези, които проектират и произвеждат компютърни игри и филми, базирани на компютърно генерирани изображения (CGI).

В момента това е най-точният наличен модел за анимация на ръцете и първият, който комбинира лазерно сканиране на характеристиките на повърхността на ръката с основен модел за манипулиране на костите, базиран на ЯМР. Barbic добавя: „Разбирането на движението на вътрешната анатомия на ръката отваря вратата към биологично вдъхновени роботизирани ръце, които изглеждат и се държат като истински ръце.“

Съизследовател Джордж Матчук

В следващата стъпка изследователите искат да направят своите MRI данни публично достъпни и да добавят много повече пози, записани на общо десет модела за период от три години. Това ще помогне да се симулира и в крайна сметка да се пресъздаде човешката ръка. Може да се използва и за достигане до студенти по медицина, които трябва да разберат как се движи ръката и нейната структура. Според Матчук,„Докато усъвършенстваме тази работа, мисля, че това може да бъде отличен инструмент за обучение за моите студенти и други лекари, които се нуждаят от разбиране на сложната анатомия и биомеханика на ръката.“

Екипът също така иска да подобри чувствителността на модела към движенията на мускулите и сухожилията, така че да може да реагира на действителните движения в реално време, за разлика от текущия едночасов процес на изчисление за едноминутна симулация. Целта му е да увеличи скоростта на извличане на данни и изчисляване на данни, без да се компрометира качеството на симулацията.

източници: