Doufám v umělou ruku s novou simulací

Doufám v umělou ruku s novou simulací

Lidská ruka je jednou z nejúžasnějších a nejkomplikovanějších částí těla, která je schopna vyvinout jak hrubou sílu, tak jemnou manipulaci podle potřeby. Navzdory desetiletím výzkumu vědci vědí jen málo o základní struktuře a o tom, jak svaly a šlachy pracují na vzájemném pohybu mnoha kostí ruky. Bez znalosti toho, jak je konstruována skutečná ruka, je téměř nemožné postavit model, který kopíruje její anatomii a pohyby. Tento nedostatek zasvěcených informací je důvodem, proč je vytvoření počítačové simulace práce lidské ruky jedním z nejobtížnějších problémů ve světě počítačové grafiky a zejména animace.

belushi | Shutterstock

To je to, co říká nová studieRuční modelování a simulace pomocí stabilizované magnetické rezonancehlášená na ACM SIGGRAPH ukazuje simulaci, která zahrnuje nejen kůži, ale také svaly, kosti, šlachy a klouby.

Ruka je velmi komplikovaná, ale před touto prací nikdo nevytvořil přesný výpočtový model toho, jak se anatomické struktury uvnitř ruky skutečně pohybují, když je artikulována.“

Výzkumník Jernej Barbic

Odborně podrobný model by mohl posunout vývoj umělé ruky a mohl by být klíčový pro výcvik nové generace lékařů a nelékařských studentů, stavbu robotických rukou a simulace pro tréninkové modely a hry ve virtuální realitě.

Jak to udělali

Prvním krokem bylo vytvoření týmu expertů na počítačovou animaci a těch, kteří mají zkušenosti s vytvářením simulací založených na fyzické realitě, stejně jako radiologů a dalších anatomických specialistů.

Dalším úkolem bylo najít správnou zobrazovací metodu, která by dokázala systematicky zachytit detaily anatomie ruky na každém kroku jejího pohybu. Vyšetření magnetickou rezonancí poskytuje množství podrobných informací o anatomii ruky, ale vyžaduje, aby ruka zůstala zcela nehybná v každé pozici asi 10 minut – což není reálně dosažitelné.

Barbic říká:"Je prakticky nemožné udržet ruku ve stabilní poloze po dobu 10 minut. Pěst je snazší držet v klidu, ale zkuste ruku napůl sevřít a zjistíte, že asi po minutě nebo dvou se začnete třást. Nemůžete ji udržet v klidu 10 minut."

Vytvoření formuláře podpory

Proto, aby toho dosáhli, nastavili výrobní proces, který udrží ruku stabilní v každé póze, s použitím materiálů z oblasti speciálních efektů. Při lifecastingu je lidská podoba nejprve vytvořena a poté přestavěna pomocí plastu, silikonu nebo jiných materiálů. Barbic našel levný a snadno dostupný nástroj pro klonování lidské ruky v obchodě s vizuálními efekty. Barbic o svém nálezu říká: "To byl ten aha moment."

Třetím krokem bylo vytvořit plastický odlitek ruky, kterou chtěli znázornit, ukazující každý drobný detail, včetně pórů a drobných linek na povrchu kůže. Postavili životní odlitek z elastického pryžového materiálu a vytvořili 3D negativní formu, která by mohla ergonomicky držet skutečnou ruku v požadované poloze tak dlouho, jak trvalo dokončení MRI skenu. Nyní byly pořízeny 10minutové skeny ruky v jiné poloze na mužském a ženském modelu. Celkem bylo provedeno 120 skenů.

Pochopení pohybů kostí

Pro každou pózu vědci rozřezali celou ruku na stejné segmenty, nazývané kostěné sítě, podle animátorovy sítě spojených vrcholů a trojúhelníků. Ty pomáhají ukázat, jak jednotlivé kosti změnily polohu v každé pozici. Nakonec se vědcům podařilo popsat přesný pohybový aparát v akci pro každou polohu rukou. To bylo zásadní pro vytvoření přesného kostního štěpu založeného na interpolativních a extrapolativních datech založených na MRI pro všechny kostní sítě.

Vytvoření pohyblivé animace

To vedlo ke konečnému kroku: sestavení simulace pohybu, která umožňuje modelovat jakoukoli možnou polohu ruky pomocí podkladových dat kosterního pohybu, včetně komplexních rotací a translace jednotlivých kostí během různých typů pohybů rukou.

Simulace měkkých tkání pak byla vytvořena pomocí metody nazvané FEM (Finite Element Method), aby zahrnovala vypočítaný pohyb svalů, šlach a přidružené tukové tkáně ruky podle očekávání z kosterního pohybu. Zavedli úpravy, které umožňují stabilní a věrné zobrazení kožních záhybů a záhybů při pohybech kloubů. Nakonec přidali povrchové detaily, které vyvrcholily hladce se pohybující animovanou rukou, která může zaujmout jakoukoli pozici, dokonce i takovou, která není součástí původní sady.

Hodnota této simulace

Práce bude samozřejmě nesmírně cenná pro ty, kteří navrhují a produkují počítačové hry a filmy založené na počítačově generovaných obrazech (CGI).

Toto je v současné době nejpřesnější dostupný model animace ruky a první, který kombinuje laserové skenování povrchových prvků ruky se základním modelem manipulace s kostí na základě MRI. Barbic dodává: "Pochopení pohybu vnitřní anatomie ruky otevírá dveře k biologicky inspirovaným robotickým rukám, které vypadají a chovají se jako skutečné ruce."

Spoluřešitel George Matcuk

V dalším kroku chtějí vědci svá data z MRI zpřístupnit veřejnosti a přidat mnoho dalších póz zaznamenaných na celkem deseti modelech po dobu tří let. To pomůže simulovat a nakonec znovu vytvořit lidskou ruku. Dalo by se také použít k oslovení studentů medicíny, kteří potřebují pochopit, jak se ruka pohybuje a její strukturu. Podle Matcuka,"Když tuto práci zdokonalujeme, myslím si, že by to mohl být vynikající výukový nástroj pro mé studenty a další lékaře, kteří potřebují porozumět složité anatomii a biomechanice ruky."

Tým chce také zlepšit citlivost modelu na pohyby svalů a šlach, aby mohl reagovat na skutečné pohyby v reálném čase, na rozdíl od současného hodinového procesu výpočtu pro minutovou simulaci. Jeho cílem je zvýšit rychlost získávání dat a výpočet dat, aniž by byla ohrožena kvalita simulace.

Zdroje: