Computer-Grafik-Technologie für Soft-Robotik angepasst

Wissenschaftler der University of California, Los Angeles (UCLA) und der Carnegie Mellon University haben fortschrittliche Computer-Grafik-Technologie für die Soft-Robotik angepasst. Sie verwendeten die gleiche Technologie, auf die sich Animations- und Videospiel-Entwickler verlassen, um sehr detaillierte Bilder zu erstellen, wie zum Beispiel Haare und Stoffe in animierten Filmen. Jetzt wird sie von den Wissenschaftlern verwendet, um weiche, gliedmaßige Roboter und ihre Bewegungen zu simulieren.

Die Arbeit wurde am 6. Mai in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Der Titel des Artikels lautet „Dynamische Simulation von weichen, gelenkigen Robotern“.

Khalid Jawed ist der Autor der Studie und Assistenzprofessor für Mechanik und Luft- und Raumfahrttechnik an der UCLA Samueli School of Engineering.

“Wir haben eine Simulation von weichen Robotern erreicht, die schneller ist als die reale Zeit, und das ist ein wichtiger Schritt in Richtung solcher Roboter, die autonom sind und ihre Aktionen selbst planen können”, sagte Jawed. “Weiche Roboter sind aus flexiblen Materialien gefertigt, was sie von Natur aus widerstandsfähig gegenüber Schäden macht und sie möglicherweise viel sicherer im Umgang mit Menschen macht. Vor dieser Studie war es schwierig, die Bewegung dieser Roboter vorherzusagen, da sie während des Betriebs ihre Form ändern.”

DER- und FEM-Technologien

Ein Algorithmus namens diskrete elastische Stäbe (DER) wird oft im Filmwesen verwendet, um frei fließende Objekte zu animieren. In nur einer Bruchteil einer Sekunde kann DER Hunderte von Bewegungen vorhersagen.

Die Forscher versuchten, DER zu verwenden, um einen Physik-Engine zu entwickeln, der in der Lage ist, die Bewegungen von bio-inspirierten Robotern zu simulieren. Sie wollten es auch für Roboter verwenden, die in schwierigen Umgebungen existieren, wie zum Beispiel solche, die für den Mars oder unter Wasser entwickelt wurden.

Die Finite-Element-Methode (FEM) ist ebenfalls eine algorithmusbasierte Technologie und kann die Bewegungen von festen und starren Robotern simulieren. Allerdings ist FEM nicht ideal für weiche, natürliche Bewegungen und das erforderliche Detailniveau. Darüber hinaus benötigt FEM viel Rechenleistung und erfordert lange Zeiträume.

Um weiche Roboter zu entwickeln und zu simulieren, haben Roboter-Entwickler auf trial-and-error-Methoden zurückgegriffen.

Carmel Majidi ist Associate Professor für Mechanik an der Carnegie Mellon University.

“Roboter, die aus harten und starren Materialien gefertigt sind, sind relativ einfach zu modellieren, indem man bestehende Computersimulations-Tools verwendet”, sagte Majidi. “Bisher gab es keine guten Software-Tools, um Roboter zu simulieren, die weich und quetschbar sind. Unsere Arbeit ist eine der ersten, die zeigt, wie weiche Roboter erfolgreich mit der gleichen Computer-Grafik-Software simuliert werden können, die zum Modellieren von Haaren und Stoffen in Blockbuster-Filmen und animierten Filmen verwendet wird.”

Die Forscher begannen vor über drei Jahren in Majidis Soft Machines Lab zu arbeiten. Ihr jüngstes Projekt umfasste Jawed, der Simulationen in seinem Forschungslabor an der UCLA durchführte, und Majidi, der physische Experimente durchführte, um die Simulationsergebnisse zu bestätigen.

Das Simulations-Tool reduziert die Zeit, die es braucht, um einen weichen Roboter auf den Punkt der Anwendung zu bringen, erheblich.

Unterstützung durch das Army Research Office

Die Forschung wurde teilweise durch das Army Research Office finanziert, das Teil des U.S. Army Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory ist.

Dr. Samuel Stanton ist Programm-Manager beim Army Research Office.

“Experimentelle Fortschritte in der Soft-Robotik sind in den letzten Jahren die Theorie überholt”, sagte Stanton. “Dieser Versuch ist ein wichtiger Schritt in unserer Fähigkeit, Dynamik und Steuerung in hoch deformierbaren Robotern zu vorhersagen und zu entwerfen, die in beengten Räumen mit komplexen Kontakten und ständig wechselnden Umgebungen arbeiten.”

Die Technologie wird jetzt auf andere Arten von weichen Robotern angewendet. Eines dieser Gebiete sind Roboter, die auf den Bewegungen von Bakterien und Seeigeln basieren, die für ozeanografische Aufgaben wie die Überwachung von Meerwasserbedingungen oder die Inspektion von Meeresleben verwendet werden könnten.