美陆军人体数字孪生研究：历史、现状与未来

人体数字孪生技术在美国陆军环境医学研究所（USARIEM）已持续开发十余年。相关软件可实现具备完整解剖结构的个性化人体有限元建模，支持生物力学动态仿真、生理监测引擎应用及代谢能量消耗计算。

1. 引言与早期发展

人体数字孪生（HDT）概念将具有独特生理特征与医疗系统属性的实体人类（物理孪生体），与其数字化虚拟模型（数字孪生体）相结合。该架构旨在为科学家、医师和工程师提供数字化模拟平台，既能再现数字孪生体的生物力学动态与生理代谢过程，又能整合物理孪生体的实时数据更新、系统干预调整及未来状态预测能力。自2010年起，USARIEM持续推进完整解剖结构HDT研发，重点聚焦独立可控的个性化虚拟人体构建。项目初衷源于2003年DARPA虚拟士兵计划及2000年代末期技术进步，关键技术要素包括：标准男女解剖模型分割、体积解剖数据向有限元模型转换算法、个体全表面激光扫描设备、以及解剖结构形态适配软件。

USARIEM生理学家Reed W. Hoyt博士（已退休）率先提出构建全解剖细节虚拟个体的必要性，旨在突破伦理限制开展极端环境生理研究，特别是满足军队对男女体态多样性模拟的迫切需求。虚拟受试者可突破实体实验的成本、后勤与安全限制，实现无限次重复测试并大幅降低研究开支。本研究与美军纳蒂克士兵研发中心（现DEVCOM）完成的人体测量调查（ANSUR II）形成协同，该调查通过3D激光扫描获取现役军人全身表面网格数据。

全身表面网格构成HDT核心要素之一。技术路线是将标准解剖有限元模型适配至个体表面网格内。标准模型构建始于尸体MRI、CT或断层扫描数据，如美国国家医学图书馆可见人体（VH）数据库（曾用于DARPA虚拟士兵计划）。HDT创建需进行三维图像分割——将标准解剖体积数据细分为特定组织类型（骨骼、血管、神经等）。借助3D Slicer等软件完成解剖结构逐层分割，2011年获法国索菲亚安提波利斯计算机科学研究院提供的VH男性有限元模型，2012年完成女性模型分割及皮下脂肪量调整。通过计算几何算法库（CGAL）与Iso2Mesh进行网格生成，实现标准解剖向个体表面网格的形态适配，完成首代HDT（个性化虚拟体）构建。为进一步个性化，有限元模型可反向转换为体积数据，通过形态学图像处理调整脂肪与肌肉体素分布，结合DEXA扫描、MRI或CT数据实现局部特征优化。该技术支撑构建涵盖美军多元体态特征的虚拟士兵库。动态仿真功能基于OpenSim平台开发，获国防卫生署小企业创新研究（SBIR 17.1）资助，由CFD研究公司（亨茨维尔）与Innovision公司（代顿）共同实现。

2. 当前技术进展

近五年来，人体数字孪生（HDT）动画软件开发聚焦于提升生物力学模拟的真实性。CFD研究公司工程师主导的功能升级包括：解剖运动的任务优先级划分——通过任务层级控制确保步态与站立时重心稳定及躯干直立；精细化足部运动建模，实现行走时足底接触面的动态模拟；引入相空间（即构型空间）表示法并设置控制律，限制关节活动超出生理极限；集成平衡控制器确保虚拟体自动回归正常姿态，步态控制器保障运动稳定性。

在医学功能模拟方面，HDT系统整合了生物医学引擎BioGears。为量化活动中的代谢能耗，采用得克萨斯理工大学James Yang教授与CFD研究团队联合开发的关节驱动法（基于OpenSim插件实现）。除基础生理模拟外，研究团队结合Frey-Law模型建立肌肉疲劳机制——肌力衰减影响任务空间控制器的运动生成能力。

为验证系统效能，USARIEM开发的男女HDT模型已通过系列运动模拟测试（9,10）。典型应用场景包括：不同海拔（海平面至4300米）负重行军模拟、变温环境训练模拟、不同隔热性能服装的生理负荷评估。BioGears引擎实时生成HDT生命体征数据，实现项目初始目标——探究军事训练与作战环境下士兵生理响应。初步生理学验证（9,10）显示，系统输出的摄氧量、心率、体表温度、核心温度及主观疲劳度与文献数据及实验测量值高度吻合。这些成果标志着完整解剖建模与运动-生理联合仿真的重大突破。

当前HDT已成为军事效能研究的关键工具。例如，用户可通过图像处理技术对HDT骨骼进行虚拟重塑并调整骨属性参数，支持极端环境与任务负荷下的肌肉骨骼损伤研究——这正是我军军事效能研究部的重点方向。

3. 未来技术挑战

USARIEM正在推进的HDT技术将聚焦训练模拟、任务规划与实时任务推演。基于HDT的训练模拟可精准定位损伤成因、量化风险因子，从而预防因生理与生物力学因素导致的战备能力下降。任务推演可采用全人工操控或AI辅助半自主模式实现，支持增强现实（AR）、虚拟现实（VR）或传统屏幕显示。前期研究表明，战场一线（Role One）快速生成的HDT模型可显著提升伤员分诊效率（14,15），并应用于军事医疗人员培训。

任务导向型模拟为HDT技术发展带来系列技术挑战。当前研究集中于单体HDT建模，而未来军事应用需实现多体协同，包含复杂障碍物交互、装备操作、碰撞规避，以及进出建筑、车辆、飞机、舰船等场景的复合动作模拟。多样化地形环境（丛林、沙漠、平原、山地、雪域、水域等）对机动性的影响必须精确建模。需扩展HDT动作库以涵盖载具操控、楼梯攀爬、建筑出入、空降作业、密闭空间移动（如隧道爬行）等战术动作。同时，HDT需集成环境感知能力（含可呼吸空气、温湿度、海拔等参数）。最终，为实现作战真实性，需开发战伤与烧伤模拟功能，准确反映创伤对HDT机动与作业能力的影响。

结论而言，USARIEM已在HDT单体的生理与生物力学虚拟实验领域取得重要突破，标志着虚拟实验技术的重大进步。然而如前所述，为构建适用于多样化军事作战与卫勤场景的高精度虚拟人体表征，HDT软件开发仍面临诸多待攻克的研究挑战。