Tietokonegrafiikkatekniikka sovellettu pehmeään robottiikkaan

Kalifornian yliopiston Los Angelesin (UCLA) ja Carnegien Mellonin yliopiston tutkijat ovat soveltaneet edistynyttä tietokonegrafiikkatekniikkaa pehmeään robottiikkaan. He käyttivät samaa tekniikkaa, jota liikkeen animaattorit ja videopelikehittäjät käyttävät luomaan erittäin yksityiskohtaisia kuvia, kuten hiuksia ja kangasta animaatioelokuvissa. Se on nyt käytössä tutkijoiden simuloimassa pehmeitä, raajallisia roboteja ja niiden liikkeitä.

Tutkimus julkaistiin Nature Communications -julkaisussa 6. toukokuuta. Tutkimuksen otsikko on ”Pehmeiden robottien dynaaminen simulaatio”.

Khalid Jawed on tutkimuksen tekijä ja apulaisprofessori mekaniikan ja ilmailutekniikan osastolla UCLA Samueli School of Engineering -yliopistossa.

“Olemme saavuttaneet nopeamman kuin reaaliaikaisen simulaation pehmeistä roboteista, ja tämä on suuri askel kohti roboteja, jotka ovat itsenäisiä ja voivat suunnitella omat toimintansa. Pehmeät robotit ovat valmistettu joustavasta materiaalista, mikä tekee niistä luonnostaan kestäviä vahinkoa vastaan ja potentiaalisesti paljon turvallisempia ihmisten kanssa vuorovaikutuksessa. Ennen tätä tutkimusta pehmeiden robottien liikkeen ennustaminen on ollut haasteellista, koska ne muuttavat muotoa toiminnan aikana.”

DER- ja FEM-tekniikat

Diskreettisten elastisten tankojen (DER) algoritmi käytetään usein elokuvien tekemisessä vapaasti virtaavien esineiden animointiin. DER pystyy ennustamaan satoja liikkeitä vain jaettuna sekunnissa.

Tutkijat pyrkivät käyttämään DER:ää kehittääkseen fysiikkamoottorin, joka pystyy simuloimaan bioinspiroiden robottien liikkeitä. He halusivat myös käyttää sitä roboteille, jotka ovat vaikeissa ympäristöissä, kuten Marsissa tai vedenalaisissa.

Rajatun elementin menetelmä (FEM) on myös algoritmiin perustuva tekniikka, ja se pystyy simuloimaan kiinteiden ja jäykän robottien liikkeitä. Kuitenkin FEM ei ole ihanteellinen pehmeiden, luonnollisten liikkeiden ja vaadittavan yksityiskohtaisuuden osalta. Lisäksi FEM riippuu paljosta laskentatehosta ja vaatii pitkiä aikoja.

Pehmeiden robottien kehittämiseksi ja simuloimiseksi robottien kehittäjät ovat luottaneet kokeilevaan menetelmään.

Carmel Majidi on apulaisprofessori mekaniikan osastolla Carnegien Mellonin yliopistossa.

”Robotit, jotka on valmistettu kovaan ja joustamattomaan materiaaliin, ovat suhteellisen helppoja mallintaa olemassa olevilla tietokonesimulaatiotyökaluilla”, sanoi Majidi. ”Tähän asti ei ole ollut hyviä ohjelmistoja, joilla voidaan simuloida pehmeitä ja pehmeitä roboteja. Työmme on yksi ensimmäisistä, joka osoittaa, miten pehmeitä roboteja voidaan onnistuneesti simuloida käyttäen samaa tietokonegrafiikkatyökalua, jota on käytetty mallintamaan hiuksia ja kangasta elokuvissa ja animaatioelokuvissa.”

Tutkijat alkoivat yhteistyöhön Majidin Soft Machines Lab -laboratoriossa yli kolme vuotta sitten. Heidän viimeisin projekti käsitti Jawedin suorittamisen simulaatioita tutkimuslaboratoriossaan UCLA:ssa ja Majidin suorittamisen fyysisiä kokeita vahvistamaan simulaation tuloksia.

Simulaatiotyökalu vähentää merkittävästi aikaa, joka kuluu pehmeän robotin kehittämiseen ja soveltamiseen.

Army Research Office -tuki

Tutkimus rahoitettiin osittain Army Research Office -rahastosta, joka on osa Yhdysvaltain armeijan taistelukykyjen kehittämisen komentajan armeijan tutkimuslaboratoriota.

Tohtori Samuel Stanton on ohjelmapäällikkö Army Research Officessa.

”Kokeelliset edistysaskeleet pehmeässä robottiikassa ovat olleet teoreettista eteenpäin viimeisen vuosien ajan”, sanoi Stanton. ”Tämä ponnistus on merkittävä askel kykyymme ennustaa ja suunnitella dynamiikkaa ja ohjausta erittäin muovautuvissa robooteissa, jotka toimivat rajoitetuissa tiloissa monimutkaisilla kosketuksilla ja jatkuvasti muuttuvissa ympäristöissä.”

Tekniikkaa tutkitaan ja kokeillaan nyt myös muiden pehmeiden robottien parissa. Yksi näistä aloista on bakteerien ja merisiilien liikkeisiin perustuvat robotit, joita voidaan käyttää merentutkimustehtävissä, kuten meriveden olosuhteiden seuraamisessa tai merieläinten tarkastelussa.