Технологія комп’ютерної графіки, адаптована для м’якої робототехніки

Учені з Університету Каліфорнії, Лос-Анджелес (UCLA) та Університету Карнегі-Меллон адаптували складну комп’ютерну графіку для м’якої робототехніки. Вони використали ту ж технологію, на яку покладаються аніматори кінофільмів та розробники відеоігор, щоб створити дуже деталізовані зображення, такі як волосся та тканина в анімованих фільмах. Тепер цю технологію вчені використовують для симуляції м’яких, кінцівкових роботів та їх рухів.

Робота була опублікована в Nature Communications 6 травня. Стаття називається «Динамічна симуляція м’яких роботів з рухомими кінцівками».

Халід Джавед – автор дослідження та асистент професора механічної та аерокосмічної інженерії в Школі інженерії UCLA Samueli.

«Ми досягли швидкої симуляції м’яких роботів, що працює швидше за реальний час, і це великий крок до створення автономних роботів, які можуть самостійно планувати свої дії», – сказав Джавед. «М’які роботизовані пристрої виготовлені з гнучкого матеріалу, що робить їх внутрішньо стійкими до пошкоджень та потенційно набагато безпечнішими при взаємодії з людьми. До цього дослідження передбачення руху цих роботів було складним, оскільки вони змінюють форму під час роботи».

Технології DER та FEM

Алгоритм, званий дискретними еластичними стержнями (DER), часто використовується в кіновиробництві для анімації вільно рухомих об’єктів. За одну тисячну секунди DER здатний передбачити сотні рухів.

Дослідники поставили собі за мету використовувати DER для розробки фізичного двигуна, здатного симулювати рух біоінспірованих роботів. Вони також хотіли використовувати його для роботів, які існують у складних середовищах, таких як ті, які розроблені для Марса або підводного використання.

Метод скінченних елементів (FEM) також є алгоритмічною технологією, яка здатна симулювати рух твердих та жорстких роботів. Однак FEM не ідеальний, коли мова йде про м’які, природні рухи та необхідний рівень деталізації. Крім того, FEM залежить від великої обчислювальної потужності та вимагає тривалих періодів часу.

Для розробки та симуляції м’яких роботів робототехніки покладалися на метод проб та помилок.

Кармель Маджіді – асистент професора механічної інженерії в Коледжі інженерії Університету Карнегі-Меллон.

«Роботи, виготовлені з твердих та жорстких матеріалів, відносно легко моделюються за допомогою існуючих інструментів комп’ютерної симуляції», – сказав Маджіді. «До цього не існували хороші програмні інструменти для симуляції роботів, які м’які та м’які. Наша робота є однією з перших, яка демонструє, як м’які роботизовані пристрої можуть бути успішно змодельовані за допомогою тих самих комп’ютерних графічних програм, які використовувалися для моделювання волосся та тканин у блокбастерних фільмах та анімованих фільмах».

Дослідники розпочали співробітництво в лабораторії Маджіді «М’які машини» понад три роки тому. Їхній останній проект включав проведення Джаведом симуляцій у своєму дослідницькому лабораторії в UCLA та проведення Маджіді фізичних експериментів для підтвердження результатів симуляції.

Інструмент симуляції значно скорочує час, необхідний для того, щоб м’який робот досяг точки застосування.

Підтримка від Армійського науково-дослідного офісу

Дослідження було частково профінансовано Армійським науково-дослідним офісом, який є частиною лабораторії Армійських досліджень та розвитку бойових можливостей армії США.

Доктор Семюель Стентон – програмний менеджер в Армійському науково-дослідному офісі.

«Експериментальні досягнення в галузі м’якої робототехніки протягом кількох років випереджають теорію», – сказав Стентон. «Ця робота є значним кроком у нашій здатності передбачати та проектувати динаміку та контроль у високодеформованих роботах, які працюють у замкнутих просторах з складними контактами та постійно змінюваним середовищем».

Тепер ця технологія досліджується та застосовується до інших видів м’яких роботів. Одним з таких напрямків є роботизовані пристрої, засновані на рухах бактерій та морських зірок, які можуть бути використані в океанографічних завданнях, таких як моніторинг умов морської води або інспекція морського життя.