Rijksoverheidslogo
Nationaal Kenniscentrum Alternatieven voor dierproeven

Geanimeerde wezens leren zelf lopen met spier- en zenuwmodellen

Thomas Geijtenbeek

Thomas Geijtenbeek, onderzoeker Technische Universiteit Delft

Tweebenige geanimeerde wezens leren zelf lopen door middel van natuurgetrouwe spier- en zenuwmodellen. Op deze nieuwe methode om bewegingen te animeren, promoveerde Thomas Geijtenbeek in december 2013 aan de Universiteit Utrecht. In het model gaan mensachtige wezens bij hogere snelheden vanzelf rennen en kiest een kangoeroe-achtig wezen er voor om te gaan springen. Vanuit de game-wereld is belangstelling voor het model omdat geanimeerde wezens veel natuurlijker gaan bewegen. Maar de methode is ook in te zetten voor onderzoek naar spierziekten. Dat is precies wat Geijtenbeek nu doet bij de Technische Universiteit (TU) in Delft. Hij heeft zelf vanuit zijn studie (Kunstmatige Intelligentie) en werk nooit te maken gehad met dierproeven. Maar met zijn model kunnen bij onderzoek naar spierziekten dierproeven wellicht vermeden worden.

Het model van Geijtenbeek is gebaseerd op natuurgetrouwe spier- en zenuwmodellen. De optimale ligging van spieren wordt bepaald door trial-and-error. De methode kan daarom ook gebruikt worden voor niet-bestaande wezens. Die gaan zich dan houden aan de biologische beperkingen waarmee natuurlijke wezens te maken hebben. Geijtenbeek: “Spieren kunnen maar een beperkte hoeveelheid kracht geven, afhankelijk van hoe lang ze zijn en hoe snel ze samentrekken. Zenuwbanen zijn relatief langzaam met het doorgeven van informatie, waardoor mensen en dieren met enige vertraging reageren op zintuigelijke waarnemingen.” Deze biologische beperkingen heeft Geijtenbeek in zijn model ingebouwd.

Tot leven wekken

Het idee voor zijn promotieonderzoek had Geijtenbeek al voor hij bij Motek Medical aan de slag ging. Dit bedrijf ontwikkelt onder andere virtuele producten om mensen te helpen te revalideren na bijvoorbeeld een beroerte of problemen met het bewegingsapparaat. In een ruimte met schermen rondom moet de patiënt lopen en bewegingen maken terwijl de omgeving steeds verandert. De bewegingen die de patiënt moet maken zijn afhankelijk wat er op het scherm gebeurt. Er wordt door het systeem direct feedback gegeven op die bewegingen. Het is een veilige omgeving waarin mensen verschillende situaties kunnen oefenen. De menselijke geanimeerde wezens in deze simulatie wilde Geijtenbeek zo realistisch mogelijk laten bewegen. “Ik wilde met simulatie iets echt tot leven wekken”, blikt Geijtenbeek terug. “Er bestaat een redelijk bekend filmpje van Karl Sims van begin jaren negentig van de vorige eeuw waarin hij ook iets in die richting heeft gedaan. Dat vond ik zo fascinerend, dat wilde ik ook.”

Neurologische aandoening

En dat is hem gelukt. Inmiddels onderzoekt de TU Delft het model ingezet kan worden bij onderzoek naar de neurologische aandoening cerebrale parese (CP). Die ontstaat bij kinderen voor het eerste levensjaar door een hersenbeschadiging. Kinderen met CP hebben moeite met bewegen omdat ze hun spieren verkeerd aanspannen. Dit geeft ook problemen met de botontwikkeling. “Het project is nog maar net van start”, vertelt Geijtenbeek. “Maar het idee is om het beginstadium van de aandoening te moduleren. Door in het model de problemen in de aansturing van de spieren in te bouwen, hopen we dat de geanimeerde figuren hetzelfde looppatroon krijgen als kinderen met CP. Vervolgens kun je dan met de spieraanspanning gaan variëren en kijken wel effect dat heeft. Op die manier kun je uitproberen wat wel en niet werkt zonder dat er proeven aan te pas komen met bijvoorbeeld dieren of dat je gaat experimenteren met patiënten. Het zou mooi zijn als het model zo gaat werken. ”

Goede hoop

“Binnen twee jaar hopen we een werkend loopmodel te hebben”, vertelt Geijtenbeek. “Over veel andere bewegingen is al veel bekend. Een reikbeweging bijvoorbeeld is een continue vloeiende beweging. Lopen is een veel complexere beweging. Het aansturingsmechanisme is lastig omdat het geen continue beweging is. Maar ik heb goed hoop dat het ons gaat lukken zo’n loopmodel te ontwikkelen. Hoe het dan verder gaat is nu nog moeilijk te zeggen. Uiteindelijk willen we een patiënt specifiek model maken. Maar dat is heel lastig, je kunt moeilijk in kaart brengen waar spieren en aanhechtingen van patiënten precies zitten. Ook met MRI data is dat lastig om te zien. Maar de ontwikkelingen gaan snel. Ook computers worden steeds sneller, waardoor steeds meer mogelijk wordt.”

Inhoudelijke gedrevenheid

Geijtenbeek vindt het goed dat de universiteit en het bedrijfsleven samenwerken in dit project. “Vaak blijkt het lastig te zijn om iets dat een onderzoeker bedenkt en uitwerkt in te zetten op zo’n manier dat het werkbaar is in de dagelijkse praktijk van een bedrijf. Een onderzoeker wordt gedreven door de wens om te begrijpen hoe het werkt. Dat is iets heel anders dan een toepassing in de markt zetten. Mijn gedrevenheid is vooral inhoudelijk.”

Toekomst

“Wat mij interessant lijkt is om een model te maken van een dier of mens met een model van de hersenen zodat het geanimeerde wezen leert lopen zonder verder iets toe te voegen. Dat zou voor zoveel dingen gebruikt kunnen worden. Bijvoorbeeld om ziektes te voorkomen, om dierproeven overbodig te maken of voor games. Computermodellen worden steeds complexer en beter en kunnen dus voor steeds meer doeleinden ingezet worden. Voorlopig is het nog een versimpeld model van de werkelijkheid waarbij de focus op het bewegingsapparaat ligt. Maar door samen te werken met andere takken van wetenschap moeten we in de toekomst in staat zijn om complexe modellen te maken die ook op moleculair niveau een realistisch beeld geven. Dat is nu nog lastig, voor iets dat één seconde duurt ben je een dag bezig met simuleren. Maar dat is juist de uitdaging, werken aan iets wat nu nog bijna onmogelijk lijkt.”

Een filmpje van de animaties van Thomas Geijtenbeek kun je vinden op Vimeo.

.