Nadam se umjetnoj ruci s novom simulacijom

Nadam se umjetnoj ruci s novom simulacijom

Ljudska je ruka jedan od najčudesnijih i najsloženijih dijelova tijela, sposoban primijeniti grubu silu i delikatnu manipulaciju po potrebi. Unatoč desetljećima istraživanja, znanstvenici znaju malo o temeljnoj strukturi i načinu na koji mišići i tetive rade na pomicanju mnogih kostiju ruke u odnosu jedne na drugu. Bez znanja o tome kako je prava ruka konstruirana, gotovo je nemoguće izgraditi model koji replicira njezinu anatomiju i pokrete. Zbog nedostatka insajderskih informacija stvaranje računalne simulacije rada ljudske ruke jedan je od najtežih problema u svijetu računalne grafike, a posebno animacije.

beluši | Shutterstock

To kaže nova studijaModeliranje ruku i simulacija pomoću stabilizirane magnetske rezonancijeobjavljeno na ACM SIGGRAPH prikazuje simulaciju koja uključuje ne samo kožu, već i mišiće, kosti, tetive i zglobove.

Šaka je vrlo komplicirana, ali prije ovog rada nitko nije napravio točan računalni model o tome kako se anatomske strukture unutar šake zapravo pomiču kada je artikulirana.”

Istraživač Jernej Barbić

Stručno detaljan model mogao bi unaprijediti razvoj umjetne ruke i također bi mogao biti ključan za obuku nove generacije studenata medicine i paramedicine, izgradnju robotskih ruku i simulacija za modele i igre za obuku u virtualnoj stvarnosti.

Kako su to uspjeli

Prvi korak bio je stvoriti tim stručnjaka za računalne animacije i onih koji su vješti u stvaranju simulacija temeljenih na fizičkoj stvarnosti, kao i radiologa i drugih anatomskih stručnjaka.

Sljedeći izazov bio je pronaći pravu metodu snimanja koja bi mogla sustavno uhvatiti detalje anatomije šake pri svakom koraku njezina pokreta. MRI skeniranje daje mnoštvo detaljnih informacija o anatomiji ruke, ali zahtijeva da ruka ostane potpuno nepomična u svakoj pozi oko 10 minuta – što nije realno ostvarivo.

Barbić kaže:"Gotovo je nemoguće držati ruku mirnom u fiksnom položaju 10 minuta. Šaku je lakše držati mirnom, ali pokušajte poluzatvoriti ruku i vidjet ćete da se nakon otprilike minutu ili dvije počinjete tresti. Ne možete je držati mirno 10 minuta."

Izrada obrasca potpore

Stoga, kako bi to postigli, postavili su proizvodni proces kako bi ruka bila stabilna u svakoj pozi, koristeći materijale iz područja specijalnih efekata. U livecastingu, ljudski oblik se prvo oblikuje, a zatim ponovno gradi pomoću plastike, silikona ili drugih materijala. Barbić je u prodavaonici vizualnih efekata pronašao jeftin i lako dostupan alat za kloniranje ljudske ruke. Barbić o svom pronalasku kaže: “To je bio aha trenutak.”

Treći korak bio je stvoriti plastični odljev ruke koju su željeli prikazati, prikazujući svaki najsitniji detalj, uključujući pore i sitne linije na površini kože. Napravili su život izliven od elastičnog gumenog materijala, stvarajući 3D negativni kalup koji je mogao ergonomski držati pravu ruku u potrebnom položaju onoliko dugo koliko je potrebno da se dovrši MRI skeniranje. Sada su snimljene 10-minutne snimke ruke u različitom položaju na muškom i ženskom modelu. Ukupno je bilo 120 skeniranja.

Razumijevanje pokreta kostiju

Za svaku pozu, znanstvenici su cijelu ruku izrezali na jednake segmente, koji se nazivaju koštane mreže, prema mreži povezanih vrhova i trokuta animatora. Oni pomažu pokazati kako su pojedinačne kosti promijenile položaj u svakoj pozi. Na kraju su znanstvenici uspjeli opisati točan mišićno-koštani sustav u akciji za svaki položaj ruku. To je bilo temeljno za stvaranje preciznog koštanog presatka temeljenog na interpolativnim i ekstrapolativnim MRI podacima za sve koštane mreže.

Izrada pokretne animacije

To je dovelo do posljednjeg koraka: konstruiranja simulacije kretanja koja omogućuje modeliranje bilo kojeg mogućeg položaja ruke pomoću temeljnih podataka o kretanju skeleta, uključujući složene rotacije i translacije pojedinačnih kostiju tijekom različitih vrsta pokreta ruke.

Simulacija mekog tkiva potom je stvorena korištenjem metode nazvane FEM (Metoda konačnih elemenata) kako bi se uključilo izračunato kretanje mišića ruke, tetiva i povezanog masnog tkiva kako se očekuje od kretanja kostura. Uveli su modifikacije koje omogućuju stabilan i vjeran prikaz kožnih nabora i nabora tijekom pokreta zglobova. Na kraju su dodali površinske detalje, što je kulminiralo glatko pokretnom animiranom rukom koja može zauzeti bilo koji položaj, čak i onaj koji nije dio izvornog seta.

Vrijednost ove simulacije

Naravno, rad će biti iznimno vrijedan za one koji dizajniraju i proizvode računalne igre i filmove temeljene na računalno generiranim slikama (CGI).

Ovo je trenutno najprecizniji dostupan model animacije ruke i prvi koji kombinira lasersko skeniranje značajki površine šake s temeljnim modelom manipulacije kostiju temeljenim na MRI.” Barbic dodaje: "Razumijevanje pokreta unutarnje anatomije ruke otvara vrata biološki inspiriranim robotskim rukama koje izgledaju i ponašaju se kao prave ruke."

Suistraživač George Matcuk

U sljedećem koraku znanstvenici žele svoje MRI podatke učiniti javno dostupnima i dodati mnogo više poza snimljenih na ukupno deset modela u razdoblju od tri godine. Ovo će pomoći u simulaciji i konačnom rekreiranju ljudske ruke. Moglo bi se koristiti i za dopiranje do studenata medicine koji trebaju razumjeti kako se ruka kreće i njezinu strukturu. Prema Matcuku,"Dok usavršavamo ovaj rad, mislim da bi ovo moglo biti izvrstan nastavni alat za moje studente i druge liječnike koji trebaju razumijevanje složene anatomije i biomehanike ruke."

Tim također želi poboljšati osjetljivost modela na pokrete mišića i tetiva kako bi mogao odgovoriti na stvarne pokrete u stvarnom vremenu, za razliku od trenutnog procesa izračuna koji traje sat vremena za simulaciju koja traje minutu. Cilj mu je povećati brzinu dohvaćanja podataka i izračuna podataka bez ugrožavanja kvalitete simulacije.

Izvori: