Ik hoop op een kunstmatige hand met een nieuwe simulatie

Ik hoop op een kunstmatige hand met een nieuwe simulatie

De menselijke hand is een van de meest verbazingwekkende en gecompliceerde delen van het lichaam en kan indien nodig zowel brute kracht als delicate manipulatie uitoefenen. Ondanks tientallen jaren onderzoek weten wetenschappers weinig over de onderliggende structuur en hoe de spieren en pezen werken om de vele botten van de hand ten opzichte van elkaar te bewegen. Zonder te weten hoe een echte hand is opgebouwd, is het bijna onmogelijk om een ​​model te bouwen dat de anatomie en bewegingen ervan nabootst. Dit gebrek aan voorkennis is de reden waarom het creëren van een computersimulatie van het werk van een menselijke hand een van de moeilijkste problemen is in de wereld van computergraphics en animatie in het bijzonder.

belushi | Shutterstock

Dat zegt een nieuwe studieHandmodellering en simulatie met behulp van gestabiliseerde magnetische resonantiebeeldvorminggerapporteerd bij ACM SIGGRAPH toont een simulatie die niet alleen de huid omvat, maar ook de spieren, botten, pezen en gewrichten.

De hand is erg ingewikkeld, maar vóór dit werk had niemand een accuraat computermodel gemaakt van hoe anatomische structuren in de hand daadwerkelijk bewegen wanneer deze wordt gearticuleerd.”

Onderzoeker Jernej Barbic

Het vakkundig gedetailleerde model zou de ontwikkeling van een kunstmatige hand kunnen bevorderen en zou ook cruciaal kunnen zijn voor het opleiden van een nieuwe generatie medische en paramedische studenten, het bouwen van robothanden en simulaties voor trainingsmodellen en games in virtual reality.

Hoe ze het deden

De eerste stap was het samenstellen van een team van computeranimatie-experts en mensen die bekwaam zijn in het maken van simulaties op basis van de fysieke realiteit, evenals radiologen en andere anatomische specialisten.

De volgende uitdaging was het vinden van de juiste beeldvormingsmethode die systematisch details van de anatomie van de hand bij elke stap van zijn beweging kon vastleggen. MRI-scans bieden een schat aan gedetailleerde informatie over de anatomie van de hand, maar vereisen dat de hand gedurende ongeveer 10 minuten volledig bewegingloos blijft in elke houding - wat realistisch gezien niet haalbaar is.

Barbic zegt:"Het is vrijwel onmogelijk om je hand tien minuten lang in een vaste positie te houden. Een vuist is gemakkelijker stil te houden, maar probeer je hand half te sluiten en je zult merken dat je na ongeveer een minuut of twee begint te trillen. Je kunt hem niet tien minuten stilhouden."

Het maken van een ondersteuningsformulier

Om dit te bereiken, hebben ze daarom een ​​productieproces opgezet om de hand in elke pose stabiel te houden, waarbij ze gebruik maakten van materialen uit het veld van speciale effecten. Bij lifecasting wordt de menselijke vorm eerst gevormd en vervolgens opnieuw opgebouwd met behulp van plastic, siliconen of andere materialen. Barbic vond in een winkel met visuele effecten een goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar hulpmiddel voor het klonen van een menselijke hand. Barbic zegt over zijn vondst: “Dat was het aha-moment.”

De derde stap was het maken van een plastic afgietsel van de hand die ze wilden weergeven, waarbij elk klein detail zichtbaar was, inclusief de poriën en kleine lijntjes op het huidoppervlak. Ze bouwden een levend gips uit elastisch rubbermateriaal, waardoor een 3D-negatieve mal ontstond die de echte hand ergonomisch in de vereiste positie kon houden, net zo lang als nodig was om de MRI-scan te voltooien. Nu werden er 10 minuten durende scans van de hand gemaakt in een andere positie bij een mannelijk en een vrouwelijk model. In totaal waren er 120 scans.

Botbewegingen begrijpen

Voor elke pose sneden de wetenschappers de hele hand in gelijke segmenten, botnetten genoemd, volgens het netwerk van de animator van verbonden hoekpunten en driehoeken. Deze laten zien hoe individuele botten in elke houding van positie veranderden. Uiteindelijk konden de wetenschappers voor elke handpositie het exacte bewegingsapparaat in actie beschrijven. Dit was van fundamenteel belang om een ​​nauwkeurig bottransplantaat te creëren op basis van interpolatieve en extrapolatieve MRI-gebaseerde gegevens voor alle botnetwerken.

Het maken van de bewegende animatie

Dit leidde tot de laatste stap: het construeren van een bewegingssimulatie waarmee elke mogelijke handhouding kan worden gemodelleerd met behulp van de onderliggende bewegingsgegevens van het skelet, inclusief complexe rotaties en vertalingen van individuele botten tijdens verschillende soorten handbewegingen.

De simulatie van zacht weefsel werd vervolgens gemaakt met behulp van een methode genaamd FEM (Finite Element Method) om de berekende beweging van de spieren, pezen en het bijbehorende vetweefsel van de hand op te nemen, zoals verwacht van de beweging van het skelet. Ze introduceerden aanpassingen die een stabiele en getrouwe weergave van huidplooien en plooien tijdens gewrichtsbewegingen mogelijk maken. Ten slotte voegden ze de oppervlaktedetails toe, met als hoogtepunt een soepel bewegende, geanimeerde hand die elke positie kan aannemen, zelfs een die geen deel uitmaakt van de originele set.

Waarde van deze simulatie

Uiteraard zal het werk uiterst waardevol zijn voor degenen die computerspellen en films ontwerpen en produceren op basis van computergegenereerde beelden (CGI).

Dit is momenteel het meest nauwkeurige handanimatiemodel dat beschikbaar is en het eerste dat laserscannen van handoppervlakkenmerken combineert met een onderliggend botmanipulatiemodel op basis van MRI.” Barbic voegt hieraan toe: “Het begrijpen van de beweging van de interne anatomie van de hand opent de deur naar biologisch geïnspireerde robothanden die eruit zien en zich gedragen als echte handen.”

Mede-onderzoeker George Matcuk

In de volgende stap willen de onderzoekers hun MRI-gegevens openbaar maken en nog veel meer poses toevoegen die zijn vastgelegd op in totaal tien modellen over een periode van drie jaar. Dit zal helpen de menselijke hand te simuleren en uiteindelijk opnieuw te creëren. Het kan ook worden gebruikt om medische studenten te bereiken die willen begrijpen hoe de hand beweegt en hoe deze is opgebouwd. Volgens Matuk is“Terwijl we dit werk verfijnen, denk ik dat dit een uitstekend leermiddel zou kunnen zijn voor mijn studenten en andere artsen die inzicht nodig hebben in de complexe anatomie en biomechanica van de hand.”

Het team wil ook de gevoeligheid van het model voor spier- en peesbewegingen verbeteren, zodat het in realtime op daadwerkelijke bewegingen kan reageren, in tegenstelling tot het huidige rekenproces van een uur voor een simulatie van een minuut. Het doel is om de snelheid van het ophalen van gegevens en het berekenen van gegevens te verhogen zonder de kwaliteit van de simulatie in gevaar te brengen.

Bronnen: