我希望有一只具有新模拟功能的假手

我希望有一只具有新模拟功能的假手

人手是身体最神奇、最复杂的部分之一，能够根据需要施加蛮力和微妙的操纵。尽管进行了数十年的研究，科学家们对底层结构以及肌肉和肌腱如何使手部的许多骨头相互移动仍知之甚少。如果不知道真实的手是如何构造的，几乎不可能建立一个复制其解剖结构和动作的模型。由于缺乏内幕信息，创建人手工作的计算机模拟是计算机图形和动画领域最困难的问题之一。

贝卢什 | Shutterstock

一项新研究是这么说的使用稳定磁共振成像进行手部建模和仿真ACM SIGGRAPH 上的报道显示，模拟不仅包括皮肤，还包括肌肉、骨骼、肌腱和关节。

手非常复杂，但在这项工作之前，没有人创建一个精确的计算模型来解释手在铰接时内部的解剖结构如何实际移动。”

研究员 Jernej Barbic

这个专业详细的模型可以促进人造手的开发，对于培训新一代医学和辅助医学学生、构建机器人手以及虚拟现实训练模型和游戏的模拟也至关重要。

他们是如何做到的

第一步是创建一个由计算机动画专家和那些擅长根据物理现实创建模拟的人员以及放射科医生和其他解剖专家组成的团队。

下一个挑战是找到正确的成像方法，能够系统地捕捉手部运动每一步的解剖细节。 MRI 扫描提供了有关手部解剖结构的大量详细信息，但要求手部在每个姿势中保持完全静止约 10 分钟，这在现实中是不可能实现的。

巴比克 说：“要让你的手保持在一个固定位置几乎不可能10分钟。握拳更容易保持不动，但尝试半握你的手，你会发现大约一两分钟后你就会开始颤抖。你无法保持不动10分钟。”

制作支持表格

因此，为了实现这一目标，他们使用特效领域的材料建立了一种生产流程，使手部在每个姿势中保持稳定。在生命铸造中，首先形成人体形态，然后使用塑料、硅胶或其他材料重建。巴比克在一家视觉效果商店找到了一种廉价且容易获得的克隆人手的工具。巴比克谈到他的发现时说：“那是一个顿悟的时刻。”

第三步是制作他们想要描绘的手的塑料模型，显示每一个微小的细节，包括皮肤表面的毛孔和细纹。他们用弹性橡胶材料制作了一个生命铸件，创建了一个 3D 负模，可以按照人体工程学原理将真手保持在所需的位置，直到完成 MRI 扫描为止。现在，对男性和女性模型的不同位置进行了 10 分钟的手部扫描。总共进行了 120 次扫描。

Knochenbewegungen verstehen

对于每个姿势，科学家根据动画师连接的顶点和三角形的网络，将整只手切成相等的部分，称为骨网。这些有助于显示各个骨骼在每个姿势中如何改变位置。最终，科学家们能够描述每个手部位置的确切肌肉骨骼系统的运作情况。这对于基于所有骨网络的内插和外推 MRI 数据创建精确的骨移植物至关重要。

创建移动动画

这导致了最后一步：构建运动模拟，允许使用底层骨骼运动数据对任何可能的手部姿势进行建模，包括在不同类型的手部运动期间各个骨骼的复杂旋转和平移。

然后使用称为 FEM（有限元法）的方法创建软组织模拟，将计算出的手部肌肉、肌腱和相关脂肪组织的运动与骨骼运动的预期相结合。他们引入了一些修改，可以在关节运动过程中稳定、忠实地呈现皮肤褶皱和折痕。最后，他们添加了表面细节，最终形成了一只平滑移动的动画手，它可以采取任何位置，甚至不属于原始设置的一部分。

本次模拟的价值

当然，这项工作对于那些基于计算机生成图像（CGI）设计和制作电脑游戏和电影的人来说非常有价值。

这是目前最准确的手部动画模型，也是第一个将手部表面特征的激光扫描与基于 MRI 的底层骨骼操作模型相结合的模型。”巴比克补充道：“了解手的内部解剖结构的运动为仿生机器人手打开了大门，它们的外观和行为都像真手一样。”

联合研究员乔治·马图克

下一步，研究人员希望公开他们的 MRI 数据，并添加三年内总共 10 个模型记录的更多姿势。这将有助于模拟并最终重建人手。它还可以用于帮助需要了解手如何移动及其结构的医学生。根据马图克的说法，“随着我们完善这项工作，我认为这对于我的学生和其他需要了解手的复杂解剖结构和生物力学的医生来说可能是一个很好的教学工具。”

该团队还希望提高模型对肌肉和肌腱运动的敏感性，以便它能够实时响应实际运动，而不是当前长达一小时的计算过程需要一分钟的模拟。其目标是在不影响模拟质量的情况下提高数据检索和数据计算的速度。

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