美国陆军训练与作战发展司令部的人体数字孪生研究：过去、现在与未来

人类数字孪生研究在美国陆军环境医学研究所：过去、现在和未来

美国陆军环境医学研究所（USARIEM）已开展超过十年的**人类数字孪生（HDT）**研究，旨在创建具有完整内部解剖结构的个性化有限元模型。该模型支持生物力学模拟、生理监测和代谢能耗计算。

1. 早期发展与背景

HDT概念将个体（物理孪生）与其虚拟模型相结合，用于模拟物理和医疗系统，并实时更新个体数据。研究始于2003年DARPA虚拟士兵项目，利用AN SUR II军人人体测量学数据、可见人项目数据库和3D激光扫描技术，通过图像分割和有限元方法构建标准男性女性模型，再通过形态变换技术个性化定制。

2. 当前技术

• 动画软件：通过OpenSim平台增强生物力学真实性，包括任务优先级、足部运动模拟、平衡控制等。
• 生理功能模拟：集成BioGears生理引擎，采用基于关节的代谢能耗计算方法，并引入Frey-Law模型模拟肌肉疲劳。
• 应用验证：模拟负重行军、不同温度环境下的训练等场景，结果与实验数据吻合良好，验证了HDT在军事生理研究中的有效性。

3. 未来挑战

• 训练与任务模拟：利用AR/VR技术进行 injury 风险评估和预防，支持多用户协同任务模拟。
• 复杂场景支持：涵盖多种地形、装备操作、复杂动作（如驾驶、攀爬、伤情模拟），并需考虑环境因素（空气、温度、湿度、海拔）。
• 技术难点：多HDT交互、碰撞避免、实时动态调整，以及战斗创伤和烧伤的生理影响模拟。

研究结论

USARIEM的HDT研究已实现单用户在生理和生物力学领域的虚拟实验，但面向军事应用仍需克服多场景、多用户交互等技术挑战，以提升虚拟人模型的准确性和实用性。