Technologie počítačové grafiky přizpůsobená pro soft robotics

Vědci z University of California, Los Angeles (UCLA) a Carnegie Mellon University přizpůsobili sofistikovanou technologii počítačové grafiky pro soft robotics. Použili stejnou technologii, na které se spoléhají tvůrci animovaných filmů a videoher, aby vytvořili velmi detailní obrázky, jako je vlasy a tkaniny v animovaných filmech. Nyní ji používají vědci k simulaci soft, končetinových robotů a jejich pohybů.

Práce byla publikována v Nature Communications 6. května. Článek se jmenuje “Dynamic Simulation of Articulated Soft Robots.”

Khalid Jawed je autor studie a asistent profesora mechanického a aerokosmického inženýrství na UCLA Samueli School of Engineering.

“Dosáhli jsme simulace soft robotů rychlejší než v reálném čase, a to je velký krok směrem k autonomním robotům, které mohou plánovat své vlastní akce,” řekl Jawed. “Soft roboti jsou vyrobeni z flexibilních materiálů, které je intrinsicky odolné proti poškození a potenciálně mnohem bezpečnější při interakci s lidmi. Před touto studií bylo předpovídání pohybu těchto robotů obtížné, protože mění tvar během provozu.”

Technologie DER a FEM

Algoritmus nazvaný discrete elastic rods (DER) se často používá ve filmovém průmyslu k animaci volně tekoucích objektů. Za zlomek sekundy je DER schopen předpovědět stovky pohybů.

Vědci se rozhodli použít DER k vývoji fyzikálního motoru, který by mohl simulovat pohyby bio-inspirovaných robotů. Chtěli ho také použít pro roboty, které existují v obtížných prostředích, jako jsou ty vyvinuté pro Mars nebo pod vodou.

Finite element method (FEM) je také algoritmus-založená technologie, a je schopná simulovat pohyby pevných a tuhých robotů. Nicméně, FEM není ideální pro soft, přirozené pohyby a požadovanou úroveň detailu. Kromě toho, FEM závisí na velké výpočetní síle a vyžaduje dlouhé časové období.

Aby mohli vyvinout a simulovat soft roboty, roboticisté se spoléhali na metody pokusů a omylů.

Carmel Majidi je asistent profesora mechanického inženýrství na Carnegie Mellon’s College of Engineering.

“Roboti vyrobeni z tvrdých a nepružných materiálů jsou relativně snadno modelovatelní pomocí stávajících počítačových simulací,” řekl Majidi. “Dosud nebyly dobré softwarové nástroje pro simulaci robotů, které jsou soft a squash. Naše práce je jednou z prvních, která demonstruje, jak soft roboti mohou být úspěšně simulováni pomocí stejného počítačového grafického softwaru, který byl použit k modelování vlasů a tkanin v blockbuster filmech a animovaných filmech.”

Vědci začali spolupracovat v Majidi’s Soft Machines Lab před více než třemi lety. Jejich poslední projekt zahrnoval Jaweda, který běžel simulace ve své laboratoři na UCLA, a Majidiho, který prováděl fyzické experimenty, aby potvrdil výsledky simulace.

Nástroj pro simulaci dramaticky snižuje čas, který je potřeba k tomu, aby se soft robot dostal do bodu aplikace.

Podpora od Army Research Office

Výzkum byl částečně financován Army Research Office, které je součástí U.S. Army Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory.

Dr. Samuel Stanton je programový manažer s Army Research Office.

“Experimentální pokroky v soft-robotice byly překonávány teorií po několik let,” řekl Stanton. “Tato snaha je významným krokem v naší schopnosti předpovídat a navrhovat pro dynamiku a kontrolu v vysoce deformovatelných robotech, které operují v uzavřených prostorech s komplexními kontakty a neustále se měnícím prostředím.”

Technologie je nyní zkoušena a aplikována na jiné druhy soft robotů. Jednou z těchto oblastí jsou roboti, kteří jsou založeni na pohybech bakterií a hvězdice, které by mohly být využity v oceánografických úkolech, jako je monitorování podmínek mořské vody nebo inspekce mořského života.