Google Faculty Research Award - Visualización de movimientos musculares

Para obtener animaciones realistas, simulaciones y/o visualizaciones de los movimientos musculares, se quiere generar un modelo basado en Lattice Boltzmann y movimientos de activación biofísicos. Con eso, se podrá simular mejor su funcionamiento y simular animaciones de movimientos humanos de manera más realista y precisa.

Las animaciones y simulaciones de personajes humanos se utilizan en muchos campos: desde los videojuegos y películas hasta simulaciones robóticas y médicas.

La mayoría de las animaciones de los personajes humanos virtuales y muchos de los movimientos de robots humanoides, son comunmente resueltos con el supuesto de que el movimiento de cada hueso o extremidad se produce en las articulaciones , como si hubiera un motor en cada una de ellas produciendo el movimiento. Sin embargo, estos métodos no producen movimientos realistas, pues para simularlo adecuadamente, los movimientos deben estar basados en músculos esqueléticos.

El sistema músculo-esquelético se compone de varias estructuras biológicas, y es un componente crucial para el análisis y simulación del movimiento humano. Sin embargo, este sistema es inherentemente difícil de simular, no sólo debido a la complejidad de las estructuras que lo conforman, sino también porque todas las relaciones entre ellas tienen que ser tomadas en cuenta.

La primera cuestión que hay que resolver es la simplificación del sistema músculo-esquelético. Proponemos un modelo que abarca los principales tejidos y estructuras que están presentes en todos los músculos: las fibras musculares, tejidos conectivos, tendones, huesos y piel. Dado que el cuerpo humano está compuesto principalmente de agua, la mayoría de estos tejidos podría modelarse utilizando la dinámica de fluidos. En este caso, se propone el uso de una modificación del Lattice Boltzmann Method (LBM) para modelar todos los tejidos mencionados. Se utilizarán la velocidades de lattice y las propiedades de los materiales para simular un fluido muy viscoso, casi sólido, que modificará su contenedor cuando sea necesario (por ejemplo, cuando una fuerza externa esté presente). Esto permitirá que el tejido tenga propiedades biológicas básicas tales como ser deformable, preservar su volumen y permitir el contacto con otros tejidos.

Para llevar a cabo lo anterior se necesitan modelos 3D realistas y detallados, por lo que se usará la base de datos de BodyPartes 3D de Database Center for Life Science

Con el fin de probar, evaluar y posteriormente validar el método propuesto, se ha comenzado el desarrollo de una herramienta de software de visualización que es capaz de mostrar la geometría de manera eficiente mediante el uso de técnicas de hardware paralelo (GPU); El software de visualización también contará con una interfaz para controlar los parámetros de la simulación.


Créditos

Este proyecto fue realizado gracias al apoyo de Google Faculty Research Award

Participantes del proyecto:

Dr. Moisés Alencastre

Ing. Octavio Navarro