Upam na umetno roko z novo simulacijo

Upam na umetno roko z novo simulacijo

Človeška roka je eden najbolj neverjetnih in zapletenih delov telesa, ki lahko po potrebi izvaja tako surovo silo kot občutljivo manipulacijo. Kljub desetletjem raziskav znanstveniki vedo le malo o osnovni strukturi in o tem, kako mišice in kite delujejo, da premikajo številne kosti roke med seboj. Ne da bi vedeli, kako je zgrajena prava roka, je skoraj nemogoče zgraditi model, ki posnema njeno anatomijo in gibe. To pomanjkanje notranjih informacij je razlog, zakaj je ustvarjanje računalniške simulacije dela človeške roke eden najtežjih problemov v svetu računalniške grafike in še posebej animacije.

beluši | Shutterstock

To pravi nova študijaModeliranje in simulacija rok z uporabo stabilizirane magnetne resonanceporočali pri ACM SIGGRAPH, prikazuje simulacijo, ki ne vključuje le kože, ampak tudi mišice, kosti, kite in sklepe.

Roka je zelo zapletena, vendar pred tem delom nihče ni ustvaril natančnega računalniškega modela, kako se anatomske strukture v roki dejansko premikajo, ko je artikulirana.«

Raziskovalec Jernej Barbič

Strokovno podroben model bi lahko pospešil razvoj umetne roke in bi lahko bil tudi ključen za usposabljanje nove generacije študentov medicine in paramedicine, gradnjo robotskih rok in simulacij za modele in igre za usposabljanje v virtualni resničnosti.

Kako jim je uspelo

Prvi korak je bil ustvariti skupino strokovnjakov za računalniško animacijo in tistih, ki so vešči ustvarjanja simulacij na podlagi fizične realnosti, pa tudi radiologov in drugih anatomskih specialistov.

Naslednji izziv je bil najti pravo slikovno metodo, ki bi lahko sistematično zajela podrobnosti anatomije roke na vsakem koraku njenega gibanja. MRI skeniranje zagotavlja ogromno podrobnih informacij o anatomiji roke, vendar zahteva, da roka ostane popolnoma negibna v vsaki pozi približno 10 minut – kar ni realno dosegljivo.

Barbič pravi:"Prav tako je nemogoče držati roko pri miru v fiksnem položaju 10 minut. Pest je lažje držati pri miru, vendar poskusite napol zapreti roko in ugotovili boste, da se boste po približno minuti ali dveh začeli tresti. Ne morete je držati pri miru 10 minut."

Izdelava obrazca za podporo

Zato so, da bi to dosegli, vzpostavili proizvodni proces, ki ohranja stabilnost roke v vsaki pozi, z uporabo materialov s področja posebnih učinkov. Pri izvajanju življenja se človeška oblika najprej oblikuje in nato ponovno zgradi z uporabo plastike, silikona ali drugih materialov. Barbic je v trgovini z vizualnimi učinki našel poceni in lahko dostopno orodje za kloniranje človeške roke. Barbič pravi o svoji najdbi: "To je bil aha trenutek."

Tretji korak je bil ustvariti plastični odlitek roke, ki so jo želeli upodobiti, ki prikazuje vsako najmanjšo podrobnost, vključno s porami in drobnimi črtami na površini kože. Iz elastičnega gumijastega materiala so izdelali življenje, ki je ustvarilo 3D negativni kalup, ki je lahko ergonomsko držal pravo roko v zahtevanem položaju tako dolgo, kot je bilo potrebno za dokončanje MRI skeniranja. Zdaj so bili posneti 10-minutni posnetki roke v različnih položajih na moškem in ženskem modelu. Skupno je bilo 120 pregledov.

Razumevanje gibanja kosti

Za vsako pozo so znanstveniki razrezali celotno roko na enake segmente, imenovane kostne mreže, glede na animatorjevo mrežo povezanih oglišč in trikotnikov. Ti pomagajo pokazati, kako so posamezne kosti spremenile položaj v vsaki pozi. Na koncu so znanstveniki lahko opisali natančen mišično-skeletni sistem, ki deluje za vsak položaj roke. To je bilo temeljnega pomena za ustvarjanje natančnega kostnega presadka na podlagi interpolativnih in ekstrapolativnih podatkov, ki temeljijo na MRI, za vsa kostna omrežja.

Ustvarjanje gibljive animacije

To je vodilo do zadnjega koraka: izdelava simulacije gibanja, ki omogoča modeliranje katere koli možne drže roke z uporabo osnovnih podatkov o gibanju skeleta, vključno s kompleksnimi rotacijami in premiki posameznih kosti med različnimi vrstami gibov rok.

Simulacija mehkega tkiva je bila nato ustvarjena z uporabo metode, imenovane FEM (metoda končnih elementov), ​​da bi vključila izračunano gibanje mišic roke, tetiv in pripadajočega maščobnega tkiva, kot se pričakuje od gibanja skeleta. Uvedli so modifikacije, ki omogočajo stabilen in veren prikaz kožnih gub in gub med gibanjem sklepov. Nazadnje so dodali površinske podrobnosti, ki dosegajo vrhunec v gladko premikajoči se animirani roki, ki lahko zavzame kateri koli položaj, tudi tistega, ki ni del izvirnega kompleta.

Vrednost te simulacije

Seveda bo delo izjemno dragoceno za tiste, ki oblikujejo in producirajo računalniške igre in filme na podlagi računalniško generiranih slik (CGI).

To je trenutno najnatančnejši model animacije rok, ki je na voljo, in prvi, ki združuje lasersko skeniranje površin rok z osnovnim modelom manipulacije kosti, ki temelji na MRI.« Barbic dodaja: "Razumevanje gibanja notranje anatomije roke odpira vrata biološko navdihnjenim robotskim rokam, ki izgledajo in se obnašajo kot prave roke."

Soraziskovalec George Matcuk

V naslednjem koraku želijo raziskovalci dati svoje podatke MRI javno dostopne in dodati veliko več poz, posnetih na skupno desetih modelih v obdobju treh let. To bo pomagalo simulirati in končno poustvariti človeško roko. Lahko bi ga uporabili tudi za doseganje študentov medicine, ki morajo razumeti, kako se roka premika in njeno strukturo. Po Matčukovih besedah"Ko izpopolnjujemo to delo, menim, da bi to lahko bilo odlično učno orodje za moje študente in druge zdravnike, ki potrebujejo razumevanje kompleksne anatomije in biomehanike roke."

Ekipa želi tudi izboljšati občutljivost modela na premike mišic in tetiv, tako da se lahko odzove na dejanske premike v realnem času, v nasprotju s trenutnim enournim postopkom izračunavanja za minutno simulacijo. Njegov cilj je povečati hitrost iskanja podatkov in izračuna podatkov brez ogrožanja kakovosti simulacije.

Viri: