Jag hoppas på en konstgjord hand med en ny simulering

Jag hoppas på en konstgjord hand med en ny simulering

Den mänskliga handen är en av de mest fantastiska och komplicerade delarna av kroppen, som kan utöva både brutal kraft och känslig manipulation efter behov. Trots årtionden av forskning vet forskarna lite om den underliggande strukturen och hur musklerna och senor arbetar för att flytta handens många ben i förhållande till varandra. Utan att veta hur en riktig hand är uppbyggd är det nästan omöjligt att bygga en modell som replikerar dess anatomi och rörelser. Denna brist på insiderinformation är anledningen till att skapa en datorsimulering av en mänsklig hands arbete är ett av de svåraste problemen i världen av datorgrafik och animation i synnerhet.

belushi | Shutterstock

Nu är det vad en ny studie sägerHandmodellering och simulering med hjälp av stabiliserad magnetisk resonanstomografirapporterad på ACM SIGGRAPH visar en simulering som omfattar inte bara huden utan även muskler, ben, senor och leder.

Handen är väldigt komplicerad, men innan det här arbetet hade ingen skapat en exakt beräkningsmodell av hur anatomiska strukturer inuti handen faktiskt rör sig när den är artikulerad.”

Forskare Jernej Barbic

Den expertdetaljerade modellen skulle kunna främja utvecklingen av en konstgjord hand och kan också vara avgörande för att träna en ny generation medicinska och paramedicinska studenter, bygga robothänder och simuleringar för träningsmodeller och spel för virtuell verklighet.

Hur de gjorde det

Det första steget var att skapa ett team av experter på datoranimering och de som är skickliga på att skapa simuleringar baserade på fysisk verklighet, samt radiologer och andra anatomiska specialister.

Nästa utmaning var att hitta rätt avbildningsmetod som systematiskt kunde fånga detaljer om handens anatomi vid varje steg av dess rörelse. MRT-skanningar ger en mängd detaljerad information om handens anatomi, men kräver att handen förblir helt orörlig i varje ställning i cirka 10 minuter - vilket inte är realistiskt möjligt.

Barbic säger:"Det är praktiskt taget omöjligt att hålla handen stadigt i ett fast läge i 10 minuter. En knytnäve är lättare att hålla stilla, men försök att halvstänga handen och du kommer att upptäcka att efter ungefär en minut eller två börjar du skaka. Du kan inte hålla den stilla i 10 minuter."

Göra ett stödformulär

Därför, för att uppnå detta, satte de upp en produktionsprocess för att hålla handen stabil i varje pose, med hjälp av material från specialeffekter. I lifecasting formas först den mänskliga formen och återuppbyggs sedan med plast, silikon eller andra material. Barbic hittade ett billigt och lättillgängligt verktyg för att klona en mänsklig hand i en butik för visuella effekter. Barbic säger om sitt fynd: "Det var aha-ögonblicket."

Det tredje steget var att skapa en plastavgjutning av handen de ville avbilda, som visar varje minuts detalj, inklusive porerna och de små linjerna på hudens yta. De byggde ett liv av ett elastiskt gummimaterial och skapade en 3D-negativform som ergonomiskt kunde hålla den riktiga handen i önskad position så länge som det tog att slutföra MR-skanningen. Nu togs 10-minutersskanningar av handen i en annan position på en manlig och en kvinnlig modell. Det blev totalt 120 skanningar.

Förstå benrörelser

För varje ställning skär forskarna hela handen i lika delar, kallade bennät, enligt animatörens nätverk av sammankopplade hörn och trianglar. Dessa hjälper till att visa hur enskilda ben ändrade position i varje ställning. Till slut kunde forskarna beskriva det exakta muskuloskeletala systemet i aktion för varje handposition. Detta var grundläggande för att skapa ett exakt bentransplantat baserat på interpolativ och extrapolativ MRI-baserad data för alla bennätverk.

Skapar den rörliga animationen

Detta ledde till det sista steget: att konstruera en rörelsesimulering som gör det möjligt att modellera alla möjliga handställningar med hjälp av de underliggande skelettrörelsedata, inklusive komplexa rotationer och translationer av enskilda ben under olika typer av handrörelser.

Mjukdelssimuleringen skapades sedan med en metod som kallas FEM (Finite Element Method) för att inkorporera den beräknade rörelsen av handens muskler, senor och tillhörande fettvävnad som förväntat av skelettrörelser. De introducerade modifieringar som möjliggör en stabil och trogen representation av hudveck och veck under ledrörelser. Slutligen lade de till ytdetaljerna, vilket kulminerade i en smidigt rörlig animerad hand som kan inta vilken position som helst, även en som inte är en del av originaluppsättningen.

Värdet av denna simulering

Självklart kommer arbetet att vara oerhört värdefullt för den som designar och producerar datorspel och filmer baserade på datorgenererat bildspråk (CGI).

Detta är för närvarande den mest exakta handanimationsmodellen som finns tillgänglig och den första som kombinerar laserskanning av handytegenskaper med en underliggande benmanipulationsmodell baserad på MRI. Barbic tillägger, "Att förstå rörelsen av handens inre anatomi öppnar dörren till biologiskt inspirerade robothänder som ser ut och beter sig som riktiga händer."

Medforskare George Matcuk

I nästa steg vill forskarna göra sina MRT-data offentligt tillgängliga och lägga till många fler poser inspelade på totalt tio modeller under en period av tre år. Detta kommer att hjälpa till att simulera och i slutändan återskapa den mänskliga handen. Det skulle också kunna användas för att nå läkarstudenter som behöver förstå hur handen rör sig och dess struktur. Enligt Matcuk,"När vi förfinar det här arbetet tror jag att detta kan vara ett utmärkt läromedel för mina studenter och andra läkare som behöver förståelse för handens komplexa anatomi och biomekanik."

Teamet vill också förbättra modellens känslighet för muskel- och senorrörelser så att den kan svara på faktiska rörelser i realtid, till skillnad från den nuvarande timslånga beräkningsprocessen för en minutlång simulering. Dess mål är att öka hastigheten för datahämtning och databeräkning utan att kompromissa med kvaliteten på simuleringen.

Källor: