ソフトロボティクスに応用されたコンピュータグラフィックス技術

カリフォルニア大学ロサンゼルス校（UCLA）とカーネギーメロン大学の科学者は、ソフトロボティクスに高度なコンピュータグラフィックス技術を応用しました。彼らは、モーション画像のアニメーターとビデオゲーム開発者が、髪や布などの詳細な画像を作成するために頼っているのと同じ技術を使用しました。現在、この技術は、柔らかくて四肢のあるロボットとその動きをシミュレートするために使用されています。

この研究は、5月6日にNature Communicationsに掲載されました。この論文のタイトルは「柔らかいロボットの動的シミュレーション」です。

カリッド・ジャウェッドは、この研究の著者であり、UCLAサミュエリ工学部の機械および航空宇宙工学の助教授です。

「私たちは、実時間よりも速い柔らかいロボットのシミュレーションを実現しました。これは、ロボットが自律的に動作し、自分で行動を計画できるようにするための重要なステップです。」とジャウェッドは述べました。 「柔らかいロボットは、柔軟な材料で作られているため、破損に対して本質的に耐性があり、人間とのやり取りにおいてもより安全である可能性があります。この研究以前は、これらのロボットの動きを予測することが困難でした。なぜなら、彼らは作動中に形状を変化させるからです。」

DERとFEMテクノロジー

離散弾性ロッド（DER）と呼ばれるアルゴリズムは、映画制作で自由に流れる物体をアニメーション化するためにしばしば使用されます。DERは、たった1秒以内に数百の動きを予測することができます。

研究者たちは、DERを使用して、生体にインスパイアされたロボットの動きをシミュレートできる物理エンジンを開発しようとしました。また、彼らは、火星や水中で開発されたロボットのような、困難な環境で存在するロボットにも使用することを目指しました。

有限要素法（FEM）もアルゴリズムベースの技術であり、固体および剛性ロボットの動きをシミュレートすることができます。しかし、FEMは、柔らかく自然な動きや必要な詳細レベルには適していません。また、FEMは多くの計算能力に依存し、長時間を要します。

ロボット工学者は、柔らかいロボットを開発してシミュレートするために、試行錯誤の方法に頼ってきました。

カーメル・マジディは、カーネギーメロン大学工学部の機械工学の准教授です。

「硬くて剛性のある材料で作られたロボットは、既存のコンピュータシミュレーションツールを使用してモデル化することが比較的容易です。」とマジディは述べました。 「しかし、柔らかくてぷにぷにしたロボットをシミュレートするための優れたソフトウェアツールはまだありませんでした。私たちの研究は、初めて、ブロックバスター映画やアニメーション映画で髪や布をモデル化するために使用されているのと同じコンピュータグラフィックスソフトウェアを使用して、柔らかいロボットをシミュレートする方法を実証したものです。」

研究者たちは、3年前にマジディのソフトマシンラボで共同研究を開始しました。彼らの最新のプロジェクトでは、ジャウェッドはUCLAの研究室でシミュレーションを実行し、マジディはシミュレーションの結果を確認するために物理実験を実行しました。

シミュレーションツールは、柔らかいロボットを応用可能な状態に到達するまでの時間を大幅に短縮します。

陸軍研究事務所の支援

この研究は、陸軍研究事務所によって部分的に資金提供されました。陸軍研究事務所は、米国陸軍戦闘能力開発コマンドの陸軍研究研究所の一部です。

サミュエル・スタントン博士は、陸軍研究事務所のプログラムマネージャーです。

「実験的なソフトロボティクスの進歩は、理論を上回っています。」とスタントンは述べました。 「この努力は、変形可能なロボットが複雑な接触と不断に変化する環境で動作するダイナミクスと制御を予測および設計する能力における重要なステップです。」

この技術は、現在、他の種類の柔らかいロボットにも適用されています。例えば、バクテリアやヒトデの動きに基づいたロボットは、海洋学のタスク such as 海水の状態を監視したり、海洋生物を調査したりするために使用できます。