Simular la física detrás del movimiento de los líquidos y cómo los fluidos, espesos o delgados, interactúan con otros objetos es un problema clave en los efectos visuales. Dar vida a escenarios como un pincel revolviendo y esparciendo pintura al óleo sobre un lienzo o espaguetis mezclados con salsa para pasta implica un sofisticado modelado computacional. Este tipo de escenarios, en particular, son difíciles de simular debido a la compleja reología del líquido —cómo cambia y se transforma su forma con el movimiento— y las intrincadas interacciones entre el líquido y las hebras.

Un equipo de científicos informáticos está abordando este problema en gráficos por computadora con una novela, Marco de múltiples escalas que imita de manera realista y precisa la dinámica compleja de las hebras que interactúan con los llamados líquidos dependientes del cizallamiento, como el barro, pintura de aceite, chocolate derretido, o salsa para pasta. Los investigadores, de Columbia Engineering y la Universidad de Waterloo, están listos para presentar su trabajo en ACM SIGGRAPH Asia, celebrada del 17 al 20 de noviembre en Brisbane, Australia. SIGGRAPH Asia, ahora en su duodécimo año, atrae a las personas técnicas y creativas más respetadas de todo el mundo en gráficos por computadora, animación, interactividad, juego de azar, y tecnologías emergentes.

Exclusivo de este trabajo es el modelado preciso de la complejidad de la dinámica de hebras de fluidos. Imagínese, por ejemplo, un plato de espaguetis, e intentar animar la cantidad de salsa que se adhiere a varias hebras de la pasta mientras se hace girar y se saca de un tazón con un tenedor. Para simular tal escenario, El método de los investigadores explica la interacción fluido-hebra que se produce en muchas escalas, tanto a pequeña escala para hebras delgadas y sus flujos superficiales como a gran escala para fluidos a granel.

"La naturaleza multiescala de este problema plantea un desafío clave, "dice Yun (Raymond) Fei, autor principal del trabajo que recientemente completó su Ph.D. en ciencias de la computación en Columbia. "Exige que nuestro modelo de simulación maneje tanto una gran cantidad de fluidos en movimiento como los pequeños, movimientos detallados por hebras y sus flujos superficiales ".

Los colaboradores de Fei incluyen a los coautores Christopher Batty de la Universidad de Waterloo-Canadá y de Columbia Engineering, Eitan Grinspun y Changxi Zheng.

Ampliando el trabajo anterior en la animación del cabello mojado, este nuevo marco computacional tiene en cuenta el cambio de volumen del líquido a medida que pasa a través de las hebras y el intercambio de impulso entre las hebras y el líquido. Su marco también explica la cohesión entre las hebras y cómo los movimientos fluidos afectan el movimiento de la hebra y viceversa. El marco consta de tres componentes:un modelo que simula el fluido que fluye en la superficie de las hebras, un modelo que simula el movimiento de los mechones de cabello individuales y sus colisiones (por ejemplo, el cuenco de espaguetis con salsa), y un modelo que simula el movimiento de fluidos a granel como un continuo, como el agua que fluye de un grifo.

"Nuestro algoritmo reúne varios modelos físicos a escalas finas y grandes, y permite que la simulación capture datos muy complejos, fenómenos ricos y multifísicos en interacciones fluido-hebra, "dice Zheng, profesor asociado de informática en Columbia.

Los investigadores demostraron su método en una amplia gama de materiales y varios ejemplos, incluyendo escenarios desafiantes que involucran salpicaduras, sacudida, y agitar el líquido que hace que las hebras se peguen y se enreden. Por ejemplo, para ilustrar el comportamiento cohesivo y de fricción de los cabellos mojados, el método se utilizó para simular de manera realista una bola cubierta de pelo que se levanta de un charco de barro y se agita. Cuando el movimiento se detiene, los pelos se pegan y se enredan como se esperaba. Aquí se puede ver una demostración en video del nuevo método.

"Hay una gran cantidad de ejemplos de cadenas fluidas en el mundo físico que nos inspiraron a imitar en el mundo virtual, "dice Grinspun, quien realizó la investigación mientras era profesor asociado en Columbia Engineering; Grinspun es ahora profesor de informática en la Universidad de Toronto. "Lo que hemos podido lograr y prestar a artistas y usuarios es un técnica de múltiples escalas para tener en cuenta las capas de matemáticas y física sofisticadas detrás de esta compleja dinámica ".

El método del equipo se puede aplicar inmediatamente a la creación de efectos especiales en la industria cinematográfica. El trabajo previo de estos colaboradores ha sido utilizado por las principales casas de efectos visuales como WETA Digital, y en largometrajes como Moana y Jungle Book. En el trabajo futuro, los investigadores prevén que este método se puede aplicar para predecir cómo se mueven y se forman los objetos en la producción de cosméticos o en el diseño de robótica.