Hagan lo que hagan nuestras manos, alcanzar, agarrar o manipular objetos, siempre parece simple. Sin embargo, tus manos son de las más complicadas e importante, partes del cuerpo.

A pesar de esto, poco se sabe sobre la complejidad de la anatomía subyacente de la mano y, como tal, La animación de manos humanas se ha considerado durante mucho tiempo como uno de los problemas más desafiantes de los gráficos por computadora.

Eso es porque ha sido imposible capturar el movimiento interno de la mano en movimiento, hasta ahora.

Utilizando imágenes por resonancia magnética (MRI) y una técnica inspirada en la industria de los efectos visuales, un equipo de investigadores de la USC, compuesto por dos informáticos y un radiólogo, ha desarrollado el modelo más realista del mundo del sistema musculoesquelético de la mano humana en movimiento.

El sistema musculoesquelético incluye músculos, huesos, tendones y articulaciones. El avance tiene implicaciones no solo para los gráficos por computadora, pero también prótesis, educación médica, robótica y realidad virtual.

"La mano es muy complicada, pero antes de este trabajo, nadie había construido un modelo computacional preciso de cómo las estructuras anatómicas dentro de la mano se mueven realmente cuando se articula, "dijo el coautor del estudio Jernej Barbic, Andrew and Erna Viterbi Early Career Chair y Profesor Asociado de Ciencias de la Computación.

Diseñando mejores prótesis

Para abordar este problema, Bárbico un experto en animación por computadora y simulación física, y su Ph.D. estudiante, Bohan Wang, el autor principal del estudio, se asoció con George Matcuk, MARYLAND, profesor asociado de radiología clínica en la Escuela de Medicina Keck de la USC. El resultado:el modelo anatómico más preciso de la mano en movimiento.

"Este es actualmente el modelo de animación de mano más preciso disponible y el primero en combinar el escaneo láser de las características de la superficie de la mano e incorporar un modelo de aparejo óseo subyacente basado en resonancia magnética, "dijo Matcuk.

Además de crear manos más realistas para juegos de computadora y películas CGI, donde las manos a menudo están expuestas, este sistema también podría utilizarse en prótesis, para diseñar mejores prótesis de dedos y manos.

"Comprender el movimiento de la anatomía interna de la mano abre la puerta a manos robóticas de inspiración biológica que se ven y se comportan como manos reales, "dijo Barbic.

"En un futuro no muy lejano, el trabajo puede contribuir al desarrollo de manos anatómicamente realistas y prótesis de mano mejoradas ".

El estudio, titulado Modelado y simulación manual utilizando imágenes de resonancia magnética estabilizada, fue presentado en ACM SIGGRAPH.

Un desafío de larga data

Para mejorar el realismo, las manos virtuales deben modelarse de manera similar a las manos biológicas, lo que requiere la construcción de modelos anatómicos y cinemáticos precisos de manos humanas reales. Pero todavía sabemos sorprendentemente poco sobre cómo se mueven los huesos y los músculos dentro de la mano.

Una de las razones es que hasta ahora, no ha habido métodos para adquirir sistemáticamente el movimiento de la anatomía interna de la mano. Aunque los escáneres de resonancia magnética pueden proporcionar detalles anatómicos, Existe un desafío práctico no abordado anteriormente:la mano debe mantenerse perfectamente quieta en el escáner durante unos 10 minutos.

"Mantener la mano quieta en una pose fija durante 10 minutos es prácticamente imposible, "dijo Barbic." Un puño es más fácil de mantener firme, pero intente semicerrar la mano y verá que comienza a temblar después de uno o dos minutos. No puede mantenerlo quieto durante 10 minutos ".

Para superar este desafío, los investigadores desarrollaron un proceso de fabricación utilizando materiales de fundición de la industria de efectos especiales para estabilizar la mano durante el proceso de escaneo de resonancia magnética. Lifecasting implica hacer un molde de la forma humana y luego reproducirlo en varios medios, incluyendo plástico o silicona.

Bárbico que trabajó en la película nominada al Oscar El Hobbit:la desolación de Smaug, Aterricé en la idea después de ver un producto de clonación manual de bajo costo en una tienda de efectos visuales en Los Ángeles mientras trabajaba en un proyecto anterior. "Ese fue el momento eureka, "dijo Barbic, quien durante mucho tiempo ha reflexionado sobre una solución para crear manos humanas virtuales más realistas.

Primero, el equipo utilizó el material de fundición para crear una réplica de plástico de la mano del modelo. Esta réplica captura características extremadamente detalladas, hasta los poros individuales y las pequeñas líneas en la superficie de la mano, que luego se escanearon con un escáner láser.

Luego, el proceso de lanzamiento de vida se utilizó de nuevo, esta vez en la mano de plástico, para crear un molde tridimensional negativo de la mano con un material elástico similar al caucho. El molde estabiliza la mano en la pose requerida. El molde se cortó en dos partes, y luego el sujeto colocó su mano real en el molde para el escaneo de resonancia magnética.

Con la ayuda del experto en radiología Matcuk, un médico en ejercicio en la USC, Luego, la mano fue escaneada por el escáner de resonancia magnética durante 10 minutos. Este procedimiento se repitió 12 veces, cada vez en una pose de mano diferente. Dos sujetos, un hombre y una mujer, fueron capturados de esta manera. Ahora, para cada pose, los investigadores sabían exactamente dónde estaban los huesos, se colocaron músculos y tendones.

Después de discutir las características anatómicas de las resonancias magnéticas con Matcuk, Barbic y Wang se pusieron a trabajar en la construcción de un modelo cinemático de esqueleto basado en datos que captura rotaciones y traslaciones de huesos complejas del mundo real en cualquier pose.

Luego agregaron simulación de tejidos blandos, utilizando el método de elementos finitos (FEM) para calcular el movimiento de los músculos de la mano, tendones y tejido graso, coherente con el movimiento del hueso. Este modelo, combinado con los detalles de la superficie les permitió crear una mano en movimiento muy realista. La mano se puede animar en cualquier movimiento, incluso un movimiento que es muy diferente de las poses capturadas.

Avanzando

El equipo, que recientemente recibieron una subvención de la National Science Foundation para llevar su trabajo a la siguiente etapa, planea construir un conjunto de datos públicos de resonancias magnéticas de manos de múltiples poses, para 10 sujetos durante los próximos tres años. Este será el primer conjunto de datos de este tipo y permitirá a los investigadores de todo el mundo simular mejor, modelar y recrear manos humanas. El equipo también planea integrar la investigación en la educación, para formar Ph.D. estudiantes en USC y para programas de extensión K-12.

"A medida que perfeccionamos este trabajo, Creo que esta podría ser una excelente herramienta de enseñanza para mis estudiantes y otros médicos que necesitan comprender la compleja anatomía y biomecánica de la mano. "dijo Matcuk.

El equipo está trabajando actualmente para agregar una mejor conciencia de los músculos y tendones en el modelo y hacerlo en tiempo real. Ahora, la computadora tarda aproximadamente una hora en crear una simulación de un minuto. Barbic y Wang esperan hacer que el sistema sea más rápido, sin perder calidad.