计算机图形技术适用于软体机器人

来自加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）和卡内基梅隆大学的科学家们已经将先进的计算机图形技术应用于软体机器人。他们使用了与动画和视频游戏开发者相同的技术来创建非常详细的图像，例如动画电影中的头发和织物。现在，这项技术被科学家们用于模拟软体、有肢体的机器人及其运动。

这项研究结果于5月6日发表在《自然通讯》杂志上。该论文的标题是“软体机器人动态模拟”。

Khalid Jawed是该研究的作者，也是UCLA萨莫利工程学院机械和航空工程系的助理教授。

“我们已经实现了比实时更快的软体机器人模拟，这是实现自治机器人和自主规划行动的重要一步，”Jawed说。“软体机器人由柔性材料制成，使其具有内在的抗损伤能力，并可能在与人类交互时更安全。在这项研究之前，预测这些机器人的运动一直很具有挑战性，因为它们在运行过程中会改变形状。”

DER和FEM技术

一种称为离散弹性杆（DER）的算法通常用于电影制作，以动画化自由流动的物体。DER能够在不到一秒的时间内预测数百种运动。

研究人员旨在使用DER开发一种能够模拟仿生机器人运动的物理引擎。他们还希望将其用于在困难环境中运行的机器人，例如为火星或水下环境开发的机器人。

有限元法（FEM）也是一个基于算法的技术，能够模拟刚性机器人的运动。然而，FEM在模拟软体、自然运动和所需的细节方面并不理想。此外，FEM需要大量的计算能力和长时间的计算。

为了开发和模拟软体机器人，机器人工程师们一直依赖于试错法。

Carmel Majidi是卡内基梅隆大学工程学院机械工程系的副教授。

“由硬性和刚性材料制成的机器人相对容易使用现有的计算机模拟工具进行建模，”Majidi说。“直到现在，还没有好的软件工具来模拟软体和可压缩的机器人。我们的工作是首批成功使用计算机图形软件模拟软体机器人的研究之一，这种软件以前曾被用于模拟动画电影和电影中的头发和织物。”

研究人员在Majidi的软体机器人实验室开始合作已经超过三年了。他们最近的项目涉及Jawed在UCLA的研究实验室运行模拟，而Majidi则进行物理实验以确认模拟结果。

模拟工具大大减少了将软体机器人应用于实际的时间。

陆军研究办公室的支持

这项研究部分由陆军研究办公室资助，陆军研究办公室是美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室的一部分。

Samuel Stanton是陆军研究办公室的计划经理。

“软体机器人领域的实验进展已经超过了理论几年了，”Stanton说。“这项工作是我们预测和设计高度可变形机器人动力学和控制的能力的一个重要步骤，这些机器人在狭窄空间中运行，具有复杂的接触和不断变化的环境。”

这项技术现在正在被探索和应用于其他类型的软体机器人。其中一个领域是基于细菌和海星运动的机器人，这些机器人可以用于海洋学任务，例如监测海水条件或检查海洋生物。