Технология компьютерной графики, адаптированная для мягкой робототехники

Ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) и Университета Карнеги-Меллона адаптировали сложную технологию компьютерной графики для мягкой робототехники. Они использовали ту же технологию, на которую полагаются аниматоры и разработчики видеоигр для создания очень детальных изображений, таких как волосы и ткань в анимационных фильмах. Теперь она используется учеными для симуляции мягких, конечных роботов и их движений.

Работа была опубликована в Nature Communications 6 мая. Статья называется «Динамическое моделирование мягких роботов с сочленениями».

Халид Джавед – автор исследования и ассистент профессора механической и аэрокосмической инженерии в Школе инженерии UCLA Samueli.

«Мы достигли симуляции мягких роботов быстрее, чем в реальном времени, и это значительный шаг к созданию автономных роботов, которые могут планировать свои действия самостоятельно», – сказал Джавед. «Мягкие роботы изготавливаются из гибкого материала, что делает их внутренне устойчивыми к повреждениям и потенциально намного безопаснее при взаимодействии с людьми. До этого исследования прогнозирование движения этих роботов было сложной задачей, поскольку они меняют форму во время работы».

Технологии DER и FEM

Алгоритм, называемый дискретными упругими стержнями (DER), часто используется в кинопроизводстве для анимации свободно текущих объектов. За долю секунды DER может предсказать сотни движений.

Исследователи поставили цель использовать DER для разработки физического движка, способного симулировать движения биоинспирированных роботов. Они также хотели использовать его для роботов, существующих в сложных средах, таких как те, которые разрабатываются для Марса или под водой.

Метод конечных элементов (FEM) – это также алгоритмическая технология, способная симулировать движения твердых и жестких роботов. Однако FEM не идеален, когда речь идет о мягких, естественных движениях и необходимом уровне детализации. Кроме того, FEM требует большого вычислительного потенциала и длительного времени.

Для разработки и симуляции мягких роботов робототехники полагались на методы проб и ошибок.

Кармел Маджиди – ассоциированный профессор механической инженерии в Колледже инженерии Карнеги-Меллона.

«Роботы, изготовленные из твердых и жестких материалов, относительно легко моделируются с помощью существующих инструментов компьютерного моделирования», – сказал Маджиди. «До сих пор не было хороших программных инструментов для симуляции роботов, которые мягкие и скользкие. Наша работа – одно из первых демонстраций того, как мягкие роботы могут быть успешно смоделированы с помощью той же компьютерной графики, которая была использована для моделирования волос и тканей в блокбастерах и анимационных фильмах».

Исследователи начали сотрудничать в лаборатории Маджиди Soft Machines Lab более трех лет назад. Их последний проект включал запуск симуляций Джаведом в его исследовательской лаборатории в UCLA и выполнение Маджиди физических экспериментов для подтверждения результатов симуляции.

Инструмент симуляции значительно сокращает время, необходимое для того, чтобы мягкий робот достиг точки применения.

Поддержка Армейского исследовательского офиса

Исследование было частично финансировано Армейским исследовательским офисом, который является частью Лаборатории исследований Армии США Армейского командования по разработке боевых возможностей.

Доктор Сэмюэл Стэнтон – программный менеджер в Армейском исследовательском офисе.

«Экспериментальные достижения в области мягкой робототехники обгоняли теорию в течение нескольких лет», – сказал Стэнтон. «Это усилие является значительным шагом в нашей способности предсказывать и проектировать динамику и управление в высоко деформируемых роботах, работающих в замкнутых пространствах с сложными контактами и постоянно меняющимися средами».

Технология теперь исследуется и применяется к другим видам мягких роботов. Одна из таких областей – роботы, основанные на движениях бактерий и морских звезд, которые могут быть использованы в океанографических задачах, таких как мониторинг условий морской воды или осмотр морской жизни.