Tecnologia di grafica computerizzata adattata per la robotica morbida

Scienziati dell’Università della California, Los Angeles (UCLA) e della Carnegie Mellon University hanno adattato una sofisticata tecnologia di grafica computerizzata per la robotica morbida. Hanno utilizzato la stessa tecnologia che gli animatori di film e gli sviluppatori di videogiochi utilizzano per creare immagini molto dettagliate, come capelli e tessuti nei film d’animazione. Ora viene utilizzata dagli scienziati per simulare robot morbidi e articolati e i loro movimenti.

Il lavoro è stato pubblicato su Nature Communications il 6 maggio. L’articolo si intitola “Simulazione dinamica di robot morbidi articolati”.

Khalid Jawed è l’autore dello studio e professore assistente di ingegneria meccanica e aerospaziale alla UCLA Samueli School of Engineering.

“Abbiamo raggiunto una simulazione più veloce del tempo reale di robot morbidi, e questo è un passo importante verso robot che siano autonomi e possano pianificare le loro azioni da soli”, ha detto Jawed. “I robot morbidi sono fatti di materiale flessibile che li rende intrinsecamente resistenti ai danni e potenzialmente molto più sicuri nell’interazione con gli esseri umani. Prima di questo studio, prevedere il movimento di questi robot è stato difficile perché cambiano forma durante l’operazione.”

Tecnologie DER e FEM

Un algoritmo chiamato discrete elastic rods (DER) viene spesso utilizzato nel cinema per animare oggetti a flusso libero. In una frazione di secondo, DER è in grado di prevedere centinaia di movimenti.

I ricercatori hanno cercato di utilizzare DER per sviluppare un motore di fisica in grado di simulare i movimenti di robot bio-ispirati. Hanno anche voluto utilizzarlo per robot che esistono in ambienti difficili, come quelli sviluppati per Marte o sott’acqua.

Il metodo degli elementi finiti (FEM) è anche una tecnologia basata su algoritmi, in grado di simulare i movimenti di robot solidi e rigidi. Tuttavia, FEM non è ideale quando si tratta di movimenti morbidi e naturali e del livello di dettaglio richiesto. Inoltre, FEM dipende da una grande potenza di calcolo e richiede lunghi periodi di tempo.

Per sviluppare e simulare robot morbidi, i roboticisti hanno fatto affidamento su metodi di prova ed errore.

Carmel Majidi è professore associato di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon’s College of Engineering.

“I robot fatti di materiali duri e inflessibili sono relativamente facili da modellare utilizzando strumenti di simulazione computerizzata esistenti”, ha detto Majidi. “Finora, non c’erano buoni strumenti software per simulare robot che sono morbidi e molli. Il nostro lavoro è uno dei primi a dimostrare come i robot morbidi possano essere simulati con successo utilizzando lo stesso software di grafica computerizzata che è stato utilizzato per modellare capelli e tessuti in film di blockbuster e film d’animazione.”

I ricercatori hanno iniziato a collaborare nel laboratorio di Majidi più di tre anni fa. Il loro progetto più recente ha coinvolto Jawed che eseguiva simulazioni nel suo laboratorio di ricerca alla UCLA e Majidi che eseguiva esperimenti fisici per confermare i risultati della simulazione.

Lo strumento di simulazione riduce drasticamente il tempo necessario per portare un robot morbido al punto di applicazione.

Supporto dell’Ufficio di ricerca dell’Esercito

La ricerca è stata parzialmente finanziata dall’Ufficio di ricerca dell’Esercito, che fa parte del Laboratorio di ricerca dell’Esercito del Comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell’Esercito degli Stati Uniti.

Il dottor Samuel Stanton è un gestore di programmi presso l’Ufficio di ricerca dell’Esercito.

“I progressi sperimentali nella robotica morbida hanno superato la teoria per diversi anni”, ha detto Stanton. “Questo sforzo è un passo significativo nella nostra capacità di prevedere e progettare per la dinamica e il controllo in robot altamente deformabili che operano in spazi confinati con contatti complessi e ambienti in costante cambiamento.”

La tecnologia sta ora essere esplorata e provata su altri tipi di robot morbidi. Una di quelle aree è i robot basati sui movimenti di batteri e stelle marine, che potrebbero essere utilizzati in compiti di oceanografia come il monitoraggio delle condizioni dell’acqua di mare o l’ispezione della vita marina.