Dúfam v umelú ruku s novou simuláciou

Dúfam v umelú ruku s novou simuláciou

Ľudská ruka je jednou z najúžasnejších a najkomplikovanejších častí tela, ktorá je schopná podľa potreby vyvinúť hrubú silu aj jemnú manipuláciu. Napriek desaťročiam výskumu vedci vedia len málo o základnej štruktúre a o tom, ako svaly a šľachy pracujú na pohybe mnohých kostí ruky vo vzťahu k sebe. Bez toho, aby sme vedeli, ako je skonštruovaná skutočná ruka, je takmer nemožné postaviť model, ktorý kopíruje jej anatómiu a pohyby. Tento nedostatok dôverných informácií je dôvodom, prečo je vytvorenie počítačovej simulácie práce ľudskej ruky jedným z najťažších problémov vo svete počítačovej grafiky a najmä animácie.

belushi | Shutterstock

Teraz to hovorí nová štúdiaRučné modelovanie a simulácia pomocou stabilizovaného zobrazovania magnetickou rezonanciouuvádzaná na ACM SIGGRAPH ukazuje simuláciu, ktorá zahŕňa nielen kožu, ale aj svaly, kosti, šľachy a kĺby.

Ruka je veľmi komplikovaná, ale pred touto prácou nikto nevytvoril presný výpočtový model toho, ako sa anatomické štruktúry vo vnútri ruky skutočne pohybujú, keď je kĺbová.“

Výskumník Jernej Barbic

Odborne podrobný model by mohol posunúť vývoj umelej ruky a mohol by byť kľúčový aj pre výcvik novej generácie študentov medicíny a stredného lekárstva, stavbu robotických rúk a simulácie pre tréningové modely a hry vo virtuálnej realite.

Ako to urobili

Prvým krokom bolo vytvorenie tímu odborníkov na počítačovú animáciu a odborníkov na vytváranie simulácií založených na fyzickej realite, ako aj rádiológov a iných anatomických špecialistov.

Ďalšou výzvou bolo nájsť správnu zobrazovaciu metódu, ktorá by dokázala systematicky zachytiť detaily anatómie ruky na každom kroku jej pohybu. Skenovanie magnetickou rezonanciou poskytuje množstvo podrobných informácií o anatómii ruky, ale vyžaduje, aby ruka zostala úplne nehybná v každej póze asi 10 minút – čo nie je reálne dosiahnuteľné.

Barbic hovorí:"Je prakticky nemožné udržať ruku v stabilnej polohe po dobu 10 minút. Päsť je ľahšie držať v kľude, ale skúste ruku napoly zavrieť a zistíte, že asi po minúte alebo dvoch sa začnete triasť. Nedokážete ju udržať v kľude 10 minút."

Vytvorenie podporného formulára

Preto, aby to dosiahli, nastavili výrobný proces, aby bola ruka stabilná v každej póze, s použitím materiálov z oblasti špeciálnych efektov. Pri lifecastingu sa najprv vytvorí ľudská podoba a potom sa prebuduje pomocou plastu, silikónu alebo iných materiálov. Barbic našiel lacný a ľahko dostupný nástroj na klonovanie ľudskej ruky v obchode s vizuálnymi efektmi. Barbic o svojom náleze hovorí: "To bol aha moment."

Tretím krokom bolo vytvoriť plastický odliatok ruky, ktorú chceli znázorniť, zobrazujúcu každý najmenší detail vrátane pórov a drobných línií na povrchu kože. Postavili životný odliatok z elastického gumového materiálu, čím vytvorili 3D negatívnu formu, ktorá by mohla ergonomicky držať skutočnú ruku v požadovanej polohe tak dlho, ako to trvalo dokončenie skenovania magnetickou rezonanciou. Teraz boli urobené 10-minútové skeny ruky v inej polohe na mužskom a ženskom modeli. Celkovo bolo vykonaných 120 skenov.

Pochopenie pohybov kostí

Pre každú pózu vedci rozrezali celú ruku na rovnaké segmenty, ktoré sa nazývajú kostené siete, podľa animátorovej siete spojených vrcholov a trojuholníkov. Tieto pomáhajú ukázať, ako jednotlivé kosti zmenili polohu v každej póze. Nakoniec sa vedcom podarilo opísať presný pohybový aparát v akcii pre každú polohu rúk. To bolo základom pre vytvorenie presného kostného štepu založeného na interpolatívnych a extrapolatívnych údajoch založených na MRI pre všetky kostné siete.

Vytvorenie pohyblivej animácie

To viedlo ku konečnému kroku: k vytvoreniu simulácie pohybu, ktorá umožňuje modelovanie akéhokoľvek možného držania ruky pomocou základných údajov o pohybe kostry, vrátane zložitých rotácií a posunov jednotlivých kostí počas rôznych typov pohybov rúk.

Simulácia mäkkých tkanív sa potom vytvorila pomocou metódy nazývanej FEM (Metóda konečných prvkov) na začlenenie vypočítaného pohybu svalov, šliach a súvisiaceho tukového tkaniva ruky, ako sa očakávalo od pohybu kostry. Zaviedli úpravy, ktoré umožňujú stabilné a verné zobrazenie kožných záhybov a záhybov pri pohyboch kĺbov. Nakoniec pridali povrchové detaily, ktoré vyvrcholili hladko sa pohybujúcou animovanou rukou, ktorá môže zaujať akúkoľvek pozíciu, dokonca aj takú, ktorá nie je súčasťou pôvodnej sady.

Hodnota tejto simulácie

Práca bude samozrejme mimoriadne cenná pre tých, ktorí navrhujú a vyrábajú počítačové hry a filmy založené na počítačom generovaných snímkach (CGI).

Toto je v súčasnosti najpresnejší model animácie ruky, ktorý je k dispozícii, a prvý, ktorý kombinuje laserové skenovanie povrchových prvkov ruky so základným modelom manipulácie s kosťou na základe MRI. Barbic dodáva: "Pochopenie pohybu vnútornej anatómie ruky otvára dvere k biologicky inšpirovaným robotickým rukám, ktoré vyzerajú a správajú sa ako skutočné ruky."

Spoluriešiteľ George Matcuk

V ďalšom kroku chcú výskumníci svoje dáta z MRI sprístupniť verejnosti a pridať mnoho ďalších póz zaznamenaných na celkovo desiatich modeloch v priebehu troch rokov. To pomôže simulovať a nakoniec znovu vytvoriť ľudskú ruku. Dalo by sa použiť aj na oslovenie študentov medicíny, ktorí potrebujú pochopiť, ako sa ruka pohybuje a jej štruktúru. Podľa Matcuka,"Keď zdokonaľujeme túto prácu, myslím si, že by to mohol byť vynikajúci učebný nástroj pre mojich študentov a iných lekárov, ktorí potrebujú pochopiť komplexnú anatómiu a biomechaniku ruky."

Tím chce tiež zlepšiť citlivosť modelu na pohyby svalov a šliach, aby mohol reagovať na skutočné pohyby v reálnom čase, na rozdiel od súčasného hodinového procesu výpočtu pre minútovú simuláciu. Jeho cieľom je zvýšiť rýchlosť získavania údajov a výpočtu údajov bez zníženia kvality simulácie.

Zdroje: