Ceru uz mākslīgo roku ar jaunu simulāciju

Ceru uz mākslīgo roku ar jaunu simulāciju

Cilvēka roka ir viena no apbrīnojamākajām un sarežģītākajām ķermeņa daļām, kas pēc vajadzības spēj pielietot gan brutālu spēku, gan smalkas manipulācijas. Neskatoties uz gadu desmitiem ilgajiem pētījumiem, zinātnieki maz zina par pamatā esošo struktūru un to, kā muskuļi un cīpslas darbojas, lai pārvietotu rokas daudzos kaulus attiecībā pret otru. Nezinot, kā tiek konstruēta īsta roka, ir gandrīz neiespējami izveidot modeli, kas atkārto tās anatomiju un kustības. Šis iekšējās informācijas trūkums ir iemesls, kāpēc cilvēka rokas darba datorsimulācijas izveide ir viena no sarežģītākajām problēmām datorgrafikas un jo īpaši animācijas pasaulē.

belushi | Shutterstock

Tagad tas ir tas, ko saka jauns pētījumsRokas modelēšana un simulācija, izmantojot stabilizētu magnētiskās rezonanses attēlveidošanuziņots, ACM SIGGRAPH parāda simulāciju, kas ietver ne tikai ādu, bet arī muskuļus, kaulus, cīpslas un locītavas.

Roka ir ļoti sarežģīta, taču pirms šī darba neviens nebija izveidojis precīzu skaitļošanas modeli, kā anatomiskās struktūras plaukstas iekšpusē faktiski pārvietojas, kad tā ir artikulēta.

Pētnieks Jernejs Barbics

Prasmīgi detalizētais modelis varētu veicināt mākslīgās rokas izstrādi, kā arī būt ļoti svarīgs jaunas paaudzes medicīnas un paramedicīnas studentu apmācībai, robotu roku veidošanai un simulācijām virtuālās realitātes apmācības modeļiem un spēlēm.

Kā viņi to izdarīja

Pirmais solis bija izveidot datoru animācijas ekspertu un fizisko realitātē balstītu simulāciju veidošanā prasmīgu cilvēku, kā arī radiologu un citu anatomijas speciālistu komandu.

Nākamais izaicinājums bija atrast pareizo attēlveidošanas metodi, kas varētu sistemātiski uztvert rokas anatomijas detaļas katrā tās kustības solī. MRI skenēšana sniedz daudz detalizētas informācijas par rokas anatomiju, taču tai ir jāpaliek pilnīgi nekustīgai katrā pozā apmēram 10 minūtes, kas nav reāli sasniedzams.

Barbic saka:"Ir praktiski neiespējami 10 minūtes noturēt roku nekustīgi fiksētā stāvoklī. Dūri ir vieglāk noturēt nekustīgi, taču mēģiniet līdz pusei aizvērt roku, un jūs atklāsiet, ka apmēram pēc minūtes vai divām jūs sākat trīcēt. Jūs nevarat to noturēt nekustīgi 10 minūtes."

Atbalsta veidlapas sastādīšana

Tāpēc, lai to panāktu, viņi izveido ražošanas procesu, lai roka būtu stabila katrā pozā, izmantojot materiālus no specefektu jomas. Dzīvības liešanā cilvēka forma vispirms tiek veidota un pēc tam pārbūvēta, izmantojot plastmasu, silikonu vai citus materiālus. Barbic vizuālo efektu veikalā atrada lētu un viegli pieejamu rīku cilvēka rokas klonēšanai. Barbics par savu atradumu saka: "Tas bija aha brīdis."

Trešais solis bija izveidot plastmasu no rokas, kuru viņi vēlējās attēlot, parādot katru mazāko detaļu, tostarp poras un sīkās līnijas uz ādas virsmas. Viņi uzbūvēja no elastīga gumijas materiāla izlietu dzīvību, izveidojot 3D negatīvu veidni, kas varētu ergonomiski noturēt īsto roku vajadzīgajā stāvoklī tik ilgi, cik nepieciešams MRI skenēšanas pabeigšanai. Tagad 10 minūšu ilgas rokas skenēšana tika veikta atšķirīgā pozīcijā vīriešu un sieviešu modelei. Kopumā tika veiktas 120 skenēšanas.

Izpratne par kaulu kustībām

Katrai pozai zinātnieki sagrieza visu roku vienādos segmentos, ko sauc par kaulu tīkliem, saskaņā ar animatora savienoto virsotņu un trīsstūru tīklu. Tie palīdz parādīt, kā atsevišķi kauli mainīja pozīciju katrā pozā. Galu galā zinātnieki spēja aprakstīt precīzu muskuļu un skeleta sistēmas darbību katrā rokas stāvoklī. Tas bija būtiski, lai izveidotu precīzu kaulu transplantātu, pamatojoties uz interpolatīviem un ekstrapolatīviem MRI datiem par visiem kaulu tīkliem.

Kustīgas animācijas izveide

Tas noveda pie pēdējā posma: kustības simulācijas izveidošana, kas ļauj modelēt jebkuru iespējamo rokas pozu, izmantojot pamatā esošos skeleta kustības datus, tostarp sarežģītas atsevišķu kaulu rotācijas un tulkojumus dažāda veida roku kustību laikā.

Pēc tam tika izveidota mīksto audu simulācija, izmantojot metodi, ko sauc par FEM (finite Element Method), lai iekļautu aprēķināto rokas muskuļu, cīpslu un saistīto taukaudu kustību, kā paredzēts skeleta kustībā. Viņi ieviesa modifikācijas, kas nodrošina stabilu un patiesu ādas kroku un kroku attēlojumu locītavu kustību laikā. Visbeidzot, viņi pievienoja virsmas detaļas, kas beidzās ar vienmērīgi kustīgu animētu roku, kas var ieņemt jebkuru pozīciju, pat tādu, kas nav daļa no sākotnējā komplekta.

Šīs simulācijas vērtība

Protams, darbs būs ārkārtīgi vērtīgs tiem, kas projektē un ražo datorspēles un filmas, kuru pamatā ir datorizēti attēli (CGI).

Šis pašlaik ir visprecīzākais pieejamais rokas animācijas modelis un pirmais, kas apvieno rokas virsmas iezīmju lāzerskenēšanu ar pamatā esošo kaulu manipulācijas modeli, kura pamatā ir MRI. Barbic piebilst: "Izpratne par rokas iekšējās anatomijas kustību paver durvis bioloģiski iedvesmotām robotu rokām, kas izskatās un uzvedas kā īstas rokas."

Līdzpētnieks Džordžs Matcuks

Nākamajā solī pētnieki vēlas padarīt savus MRI datus publiski pieejamus un pievienot daudz vairāk pozu, kas reģistrētas kopumā desmit modeļos trīs gadu laikā. Tas palīdzēs simulēt un galu galā atjaunot cilvēka roku. To varētu izmantot arī, lai sasniegtu medicīnas studentus, kuriem ir jāsaprot, kā roka kustas un tās uzbūve. Pēc Matcuka teiktā,"Kad mēs uzlabojam šo darbu, es domāju, ka tas varētu būt lielisks mācību līdzeklis maniem studentiem un citiem ārstiem, kuriem nepieciešama izpratne par rokas sarežģīto anatomiju un biomehāniku."

Komanda arī vēlas uzlabot modeļa jutību pret muskuļu un cīpslu kustībām, lai tā varētu reaģēt uz faktiskajām kustībām reāllaikā, pretstatā pašreizējam stundu ilgam aprēķinu procesam minūtes ilgas simulācijas veikšanai. Tās mērķis ir palielināt datu izguves un datu aprēķināšanas ātrumu, neapdraudot simulācijas kvalitāti.

Avoti: