Qualunque cosa facciano le nostre mani, raggiungendo, afferrare o manipolare oggetti:sembra sempre semplice. Eppure le tue mani sono tra le più complicate, e importante, parti del corpo.

Nonostante questo, si sa poco della complessità dell'anatomia sottostante della mano e, come tale, l'animazione delle mani umane è stata a lungo considerata uno dei problemi più impegnativi della computer grafica.

Questo perché è stato impossibile catturare il movimento interno della mano in movimento, fino ad ora.

Utilizzando la risonanza magnetica (MRI) e una tecnica ispirata all'industria degli effetti visivi, un team di ricercatori USC, composto da due informatici e un radiologo, ha sviluppato il modello più realistico al mondo del sistema muscolo-scheletrico della mano umana in movimento.

Il sistema muscolo-scheletrico comprende muscoli, ossatura, tendini e articolazioni. La svolta ha implicazioni non solo per la computer grafica, ma anche protesi, educazione medica, robotica e realtà virtuale.

"La mano è molto complicata, ma prima di questo lavoro, nessuno aveva costruito un modello computazionale preciso per come le strutture anatomiche all'interno della mano si muovono effettivamente mentre si articola, ", ha affermato il coautore dello studio Jernej Barbic, un Andrew and Erna Viterbi Early Career Chair e Professore Associato di Informatica.

Progettare protesi migliori

Per affrontare questo problema, barbaro, un esperto di animazione al computer e simulazione fisica, e il suo dottorato di ricerca alunno, Bohan Wang, l'autore principale dello studio, ha collaborato con George Matcuk, dottore, un professore associato di radiologia clinica presso la Keck School of Medicine della USC. Il risultato:il modello anatomico più preciso della mano in movimento.

"Questo è attualmente il modello di animazione della mano più accurato disponibile e il primo a combinare la scansione laser delle caratteristiche della superficie della mano e a incorporare un modello di rigging osseo sottostante basato sulla risonanza magnetica, ", ha detto Mattuk.

Oltre a creare mani più realistiche per giochi per computer e film in CGI, dove le mani sono spesso esposte, questo sistema potrebbe essere utilizzato anche in protesi, per progettare protesi migliori per le dita e le mani.

"Comprendere il movimento dell'anatomia interna della mano apre le porte a mani robotiche di ispirazione biologica che sembrano e si comportano come mani reali, " ha detto Barbi.

"In un futuro non così lontano, il lavoro può contribuire allo sviluppo di mani anatomicamente realistiche e protesi della mano migliorate."

Lo studio, intitolato Modellazione e simulazione della mano mediante imaging a risonanza magnetica stabilizzata, è stato presentato ad ACM SIGGRAPH.

Una sfida di lunga data

Per migliorare il realismo, le mani virtuali dovrebbero essere modellate in modo simile alle mani biologiche, che richiede la costruzione di precisi modelli anatomici e cinematici di mani umane reali. Ma sappiamo ancora sorprendentemente poco su come le ossa e i muscoli si muovono all'interno della mano.

Uno dei motivi è che, fino ad ora, non ci sono stati metodi per acquisire sistematicamente il movimento dell'anatomia interna della mano. Sebbene gli scanner MRI possano fornire dettagli anatomici, esiste una sfida pratica precedentemente non affrontata:la mano deve essere tenuta perfettamente ferma nello scanner per circa 10 minuti.

"Tenere la mano ferma in una posa fissa per 10 minuti è praticamente impossibile, " disse Barbic. "Un pugno è più facile da tenere fermo, ma prova a chiudere semichiudendo la mano e scoprirai che inizi a tremare dopo circa un minuto o due. Non puoi tenerlo fermo per 10 minuti."

Per vincere questa sfida, i ricercatori hanno sviluppato un processo di produzione utilizzando materiali lifecasting dell'industria degli effetti speciali per stabilizzare la mano durante il processo di scansione MRI. Il lifecasting consiste nel creare uno stampo della forma umana e poi riprodurlo in vari media, compreso plastica o silicone.

barbaro, che ha lavorato al film candidato all'Oscar Lo Hobbit:la desolazione di Smaug, è arrivato all'idea dopo aver visto un prodotto di clonazione manuale economico in un negozio di effetti visivi a Los Angeles mentre lavorava a un progetto precedente. "Quello era il momento eureka, "disse Barbico, che ha meditato a lungo su una soluzione per creare mani umane virtuali più realistiche.

Primo, il team ha utilizzato il materiale per la fusione della vita per creare una replica in plastica della mano del modello. Questa replica cattura caratteristiche estremamente dettagliate, fino ai singoli pori e alle minuscole linee sulla superficie della mano, che sono stati poi scansionati con uno scanner laser.

Quindi, il processo di lifecasting è stato utilizzato di nuovo, questa volta sulla mano di plastica, per creare uno stampo 3-D negativo della mano da un materiale elastico simile alla gomma. Lo stampo stabilizza la mano nella posa richiesta. Lo stampo è stato tagliato in due parti, e poi il soggetto ha messo la sua vera mano nello stampo per la scansione MRI.

Con l'assistenza dell'esperto di radiologia Matcuk, un medico praticante presso la USC, la mano è stata quindi scansionata dallo scanner MRI per 10 minuti. Questa procedura è stata ripetuta 12 volte, ogni volta in una posa della mano diversa. Due soggetti, un maschio e una femmina, sono stati catturati in questo modo. Ora, per ogni posa, i ricercatori sapevano esattamente dove si trovavano le ossa, muscoli e tendini sono stati posizionati.

Dopo aver discusso le caratteristiche anatomiche delle scansioni MRI con Matcuk, Barbic e Wang si sono messi al lavoro per costruire un modello cinematico dello scheletro basato sui dati che cattura le complesse rotazioni del mondo reale e le traslazioni delle ossa in qualsiasi posa.

Hanno quindi aggiunto la simulazione dei tessuti molli, utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM) per calcolare il movimento dei muscoli della mano, tendini e tessuto adiposo, coerente con il movimento osseo. Questo modello, combinato con i dettagli della superficie ha permesso loro di creare una mano in movimento altamente realistica. La mano può essere animata in qualsiasi movimento, anche il movimento che è molto diverso dalle pose catturate.

Andando avanti

Il gruppo, che ha recentemente ricevuto una sovvenzione dalla National Science Foundation per portare il proprio lavoro alla fase successiva, prevede di creare un set di dati pubblico di scansioni MRI manuali multipos, per 10 soggetti nei prossimi tre anni. Questo sarà il primo set di dati del suo genere e consentirà ai ricercatori di tutto il mondo di simulare meglio, modellare e ricreare mani umane. Il team prevede inoltre di integrare la ricerca nell'istruzione, per formare dottorato di ricerca studenti della USC e per i programmi di sensibilizzazione K-12.

"Mentre perfezioniamo questo lavoro, Penso che questo potrebbe essere un eccellente strumento di insegnamento per i miei studenti e altri medici che hanno bisogno di una comprensione della complessa anatomia e biomeccanica della mano, ", ha detto Mattuk.

Il team sta attualmente lavorando per aggiungere una migliore consapevolezza di muscoli e tendini nel modello e renderlo in tempo reale. Proprio adesso, il computer impiega circa un'ora per creare una simulazione di un minuto. Barbic e Wang sperano di rendere il sistema più veloce, senza perdere qualità.