کاری که دست شما انجام می دهد ساده به نظر می رسد. با این حال دست های شما یکی از پیچیده ترین و مهم ترین اعضای بدن شما هستند. با این وجود، اطلاعات زیادی درمورد پیچیدگی آناتومی بنیادی و اصلی دست وجود ندارد. به همین دلیل متحرک سازی دست انسان از دیرباز یکی از پرچالش ترین موضوعات در گرافیک کامپیوتری است. این مشکلات به این دلیل است که ثبت حرکت درونی دست در حرکت، تاکنون غیرممکن بوده است. قطعا شبیه سازی مجازی دست انسان، گامی بزرگ در جهت توسعه پروتز و اعضای مصنوعی می باشد.
حالا داستان چیه؟
تیمی از محققان USC از تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) و تکنیکی الهام گرفته از صنعت جلوه های بصری، در تحقیقاتشان استفاده کردند. آن‌ها با استفاده از این امکانات، واقعی ترین مدل جهان از سیستم اسکلتی عضلانی دست در حال حرکت انسان را توسعه دادند.
سیستم اسکلتی عضلانی شامل ماهیچه ها، استخوان ها، تاندون ها و مفاصل است. این پیشرفت نه تنها برای گرافیک کامپیوتری، بلکه برای ساخت پروتز و اعضای مصنوعی، آموزش پزشکی، رباتیک و واقعی سازی دنیای مجازی نیز کاربرد دارد.
Jerbenj Barbic ، یکی از نویسندگان این مطالعه، رئیس اندرو و ارنا ویتربی و دانشیار علوم کامپیوتر است. او گفت: «ساختار دست بسیار پیچیده است. قبل از این تحقیقات، مدل محاسباتی دقیق برای بررسی نحوه حرکت ساختارهای آناتومیکی داخل دست در حال حرکت، وجود نداشت.»
اعضای این تیم تحقیقاتی
Barbic، متخصص انیمیشن کامپیوتری و شبیه سازی مبتنی بر فیزیک و Bohan Wang دانشجوی دکترا و نویسنده ی اصلی این مطالعه است. عضو دیگر این تیم، George Matcuk MD دانشیار رادیولوژی بالینی در دانشکده ی پزشکی USC Keck است. این سه نفر با همکاری یک دیگر توانستند دقیق ترین مدل آناتومیکی دست در حال حرکت را به دست بیاورند.
طراحی پروتز های بهتر
Matcuk می گوید: «در حال حاضر دقیق ترین مدل انیشمیشن دست در دسترس است. این اولین مدلی است که اسکن لیزری ویژگی های سطح دست را ترکیب کرده و شامل یک مدل استخوان بندی زیربنایی براساس MRI است.»
فیلم های CGI، در واقع استفاده از گرافیک کامپیوتری برای افزودن یا خلق تصاویر در کارهای هنری و مدیا است. این سیستم با ایجاد دست های حقیقی تر برای بازی های رایانه ای و فیلم های CGI، به این صنعت کمک بزرگی می کند. این سیستم همچنین می تواند در پروتزها برای طراحی بهتر انگشتان و دست نیز استفاده شود.
Barbic می گوید: «درک حرکت آناتومی داخلی دست، زمینه را برای اختراع دست های روباتیکی شبیه به دست های واقعی فراهم می کند. در آینده ای نه چندان دور، ممکن است این سیستم به پیشرفت دست های حقیقی آناتومیک و بهبود پروتز دست، کمک کند.»
این مطالعه با عنوان مدل سازی و شبیه سازی دست با استفاده از تصویربرداری مغناطیسی ثابت، در ACM SIGGRAPH انتشار یافت.
یک چالش دیرینه
برای بهبود واقع گرایی، دست های مجازی باید شبیه به دست های بیولوژیکی مدل سازی شوند. برای انجام این کار، نیاز به ساخت مدل های آناتومیک و حرکتی دقیق از دست های واقعی انسان است. ما هنوز اطلاعات زیادی در مورد چگونگی حرکت استخوان ها و ماهیچه ها در داخل دست، در اختیار نداریم.
یکی از دلایل این است که تاکنون هیچ روشی برای دسترسی به حرکت سیستماتیک داخلی دست نداشتیم. اگرچه اسکنر های MRI می توانند جزئیات آناتومیکی را ارائه دهند. اما مشکل این است که دست باید تقریبا در ده دقیقه، به طور ثابت داخل اسکنر قرار گیرد. ثابت نگه داشتن دست در حالت ثابت به مدت 10 دقیقه عملا غیرممکن است. این عمل برای مشت راحت تر می باشد. سعی کنید دست خود را نیمه ببندید و بعد از حدود یک تا دو دقیقه متوجه خواهید شد که دستتان شروع به لرزیدن می کند. شما نمی توانید آن را به مدت 10 دقیقه ثابت نگه دارید.»
روش تحقیقاتی این تیم
برای غلبه بر این چالش، محققان از مواد lifecasting در صنعت جلوه های ویژه، برای تثبیت دست در فرایند اسکن MRI کمک گرفتند. lifecasting به معنای ساخت قالبی از شکل انسان و سپس تکثیر آن در قالب های مختلف از جمله پلاستیک یا سیلیکون می باشد.
Barbic روی فیلم The Hobbit: the Desolation of smaug کار می کرد. او پس از دیدن یک شبیه سازی دست ارزان قیمت در فروشگاهی در لس انجلس، به این ایده دست یافت. Barbic که مدت ها به دنبال راه حلی برای ایجاد دست های مجازی واقعی تر انسان بود، گفت: «این لحظه ی اکتشاف بود.»
فرایند ساخت مدل های دست
ابتدا، این تیم از مواد life-casting برای ساخت یک ماکت پلاستیکی از دست مدل استفاده کردند. این ماکت ویژگی های بسیار دقیق دست را به تصویر می کشد. این ویژگی ها شامل منافذ تا خطوط ریز روی سطح دست، که با استفاده از اسکنر لیزری اسکن می شدند، بود.
سپس فرآیند life-casting این بار روی دست پلاستیکی با استفاده از یک ماده شبه الاستیک، برای ایجاد یک قالب سه بعدی از دست انجام شد. قالب دست در حالت مورد نیاز ثابت می شود. سپس قالب به دو قسمت جدا می شود و فرد دست خود را برای اسکن MRI در قالب قرار می دهد.
با کمک متخصص رادیولوژی Matcuk ، یک پزشک متخصص در USC، دست به مدت 10 دقیقه توسط اسکنر MRI اسکن شد. این روش 12 بار و هر بار در یک حالت دست متفاوت تکرار شد. این آزمایش روی دو نفر، یک مرد و یک زن، انجام شد. اکنون برای هر موقعیت، محققان دقیقا می دانند که استخوان ها، ماهیچه ها و تاندون ها در کجا قرار دارند.
پیشرفت در تحقیقات
پس از بررسی ویژگی های تشریحی اسکن MRI این تیم شروع به ساخت یک مدل حرکتی اسکلت مبتنی بر این داده ها کردند. این مدل، چرخش های پیچیده دست واقعی و استخوان ها را در هر حالتی ثبت می کند. سپس شبیه سازی بافت را با استفاده از روش FEM برای حرکت عضلات، تاندون ها و بافت چربی مطابق با حرکت استخوان انجام دادند. این مدل، همراه با جزئیات سطح دست به آن ها این امکان را داد تا یک دست متحرک بسیار واقعی ایجاد کنند.
این تیم اخیرا از بنیاد ملی علوم برای ادامه کار خود کمک مالی دریافت کردند. محققان قصد دارند یک مجموعه داده عمومی از اسکن های MRI دستی چند حالته را برای 10 نفر طی سه سال آینده بسازند. این مجموعه، محققان سراسر جهان را قادر می سازد تا شبیه سازی، مدل سازی و باز آفرینی بهتری از دست انسان بسازند. این تیم همچنان قصد دارند تحقیقات خود را در آموزش دانشجویان دکتری در USC برای توسعه برنامه های K-12 ادغام کنند.
نتیجه گیری
Georg Matcuk می گوید: «این وسیله می تواند یک ابزار آموزشی برای دانشجویان و پزشکانی باشد که به درک آناتومی پیچیده و بیومکانیک دست نیاز دارند.»
این تیم در حال تلاش برای آگاهی بیشتر از عضلات و تاندون ها برای ساخت مدل واقعی است. در حال حاضر، حدود یک ساعت طول می کشد تا کامپیوتر یک شبیه سازی یک دقیقه ای را انجام دهد. Barbic و Wang امیدوارند که سیستمی سریع تر و به دور از کاهش کیفیت بسازند.
منابع
- Materials provided by the University of Southern California. Originally written by Caitlin Dawson. Note: Content may be edited for style and length.
مترجم: مهسا صیدی | ویراستار: نفیسه مظفری
