Computer Graphics Technologie aangepast voor Soft Robotics

Wetenschappers van de University of California, Los Angeles (UCLA) en de Carnegie Mellon University hebben geavanceerde computer graphics technologie aangepast voor soft robotics. Zij gebruikten dezelfde technologie die door motion-picture animators en video game developers wordt gebruikt om zeer gedetailleerde beelden te creëren, zoals haar en stof in geanimeerde films. Deze technologie wordt nu door de wetenschappers gebruikt om soft, ledemate robots en hun bewegingen te simuleren.

Het onderzoek werd gepubliceerd in Nature Communications op 6 mei. Het artikel heet “Dynamic Simulation of Articulated Soft Robots.”

Khalid Jawed is de auteur van de studie en een assistent-professor in mechanische en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de UCLA Samueli School of Engineering.

“We hebben een simulatie van soft robots bereikt die sneller is dan in real-time, en dit is een belangrijke stap naar robots die autonoom zijn en hun acties zelf kunnen plannen,” zei Jawed. “Soft robots zijn gemaakt van flexibel materiaal, waardoor ze van nature bestand zijn tegen schade en potentieel veel veiliger zijn in interactie met mensen. Voorheen was het voorspellen van de beweging van deze robots een uitdaging omdat ze van vorm veranderen tijdens de operatie.”

DER en FEM Technologieën

Een algoritme genaamd discrete elastic rods (DER) wordt vaak gebruikt in de filmindustrie om vrije objecten te animeren. In slechts een fractie van een seconde kan DER honderden bewegingen voorspellen.

De onderzoekers wilden DER gebruiken om een fysica-engine te ontwikkelen die de bewegingen van bio-geïnspireerde robots kan simuleren. Zij wilden het ook gebruiken voor robots die bestaan in moeilijke omgevingen, zoals die ontwikkeld voor Mars of onderwater.

Finite element method (FEM) is ook een algoritme-gebaseerde technologie, en het kan de bewegingen van solide en starre robots simuleren. Echter, FEM is niet ideaal voor soft, natuurlijke bewegingen en het vereiste niveau van detail. Bovendien vereist FEM veel rekenkracht en tijd.

Om soft robots te ontwikkelen en te simuleren, hebben roboticisten gebruik gemaakt van trial-and-error methoden.

Carmel Majidi is een associate professor in mechanische techniek aan de Carnegie Mellon’s College of Engineering.

“Robots gemaakt van harde en onbuigzame materialen zijn relatief eenvoudig te modelleren met bestaande computersimulatie-tools,” zei Majidi. “Tot nu toe waren er geen goede software-tools om robots te simuleren die soft en squishy zijn. Ons onderzoek is een van de eerste die aantoont hoe soft robots succesvol kunnen worden gesimuleerd met dezelfde computer graphics software die is gebruikt om haar en stof in blockbuster films en geanimeerde films te modelleren.”

De onderzoekers begonnen samen te werken in Majidi’s Soft Machines Lab meer dan drie jaar geleden. Hun meest recente project betrof Jawed die simulaties uitvoerde in zijn onderzoekslab aan de UCLA en Majidi die fysieke experimenten uitvoerde om de simulatie-resultaten te bevestigen.

Het simulatie-tool reduceert drastisch de tijd die het kost om een soft robot tot het punt van toepassing te brengen.

Steun van het Army Research Office

Het onderzoek werd deels gefinancierd door het Army Research Office, dat deel uitmaakt van het U.S. Army Combat Capabilities Development Command’s Army Research Laboratory.

Dr. Samuel Stanton is een program manager bij het Army Research Office.

“Experimentele vooruitgang in soft-robotics is de afgelopen jaren sneller gegaan dan de theorie,” zei Stanton. “Deze inspanning is een belangrijke stap in onze mogelijkheid om te voorspellen en te ontwerpen voor dynamiek en controle in hooguit buigzame robots die opereren in beperkte ruimtes met complexe contacten en constant veranderende omgevingen.”

De technologie wordt nu onderzocht en getest op andere soorten soft robots. Een van die gebieden is robots die gebaseerd zijn op de bewegingen van bacteriën en zeesterren, die kunnen worden gebruikt voor oceanografische taken zoals het monitoren van zeewatercondities of het inspecteren van mariene leven.