用于软机器人的实时物理引擎

如今，电影动画和视频游戏令人印象深刻，栩栩如生，捕捉到一缕头发垂在女主人公的眼睛上，或一幅帆布风帆在风中脆脆地响起。来自加利福尼亚大学洛杉矶分校(UCLA)和卡内基梅隆大学的合作者首次采用了这种先进的计算机图形技术来模拟柔软的四肢机器人的运动。

研究结果于5月6日发表在《自然通讯》上，论文名为“铰接式软机器人的动态仿真”。

研究作者，机械和航空航天学助理教授哈立德·贾维德(Khalid Jawed)表示：“我们实现了比实时仿真软机器人更快的速度，这是朝着自主，可以自行计划动作的机器人迈出的重要一步。 UCLA Samueli工学院的工程学。“软机器人由柔性材料制成，从而使它们本质上具有抵抗损坏的弹性，并且在与人的互动中可能更加安全。在进行这项研究之前，预测这些机器人的运动非常困难，因为它们会在操作过程中改变形状。”

电影通常使用称为离散弹性杆(DER)的算法来为自由流动的物体设置动画。DER可以在不到一秒钟的时间内预测数百次运动。研究人员希望使用DER创建一个物理引擎，该引擎可以模拟受生物启发的机器人以及挑战性环境(例如火星表面或水下)中机器人的运动。

另一种基于算法的技术，即有限元方法(FEM)，可以模拟固体和刚性机器人的运动，但它并不适合解决复杂，柔和的自然运动。它还需要大量时间和计算能力。

迄今为止，机器人专家一直使用艰辛的反复试验过程来研究软材料系统的动力学，软机器人的设计和控制。

卡内基梅隆大学工程学院机械工程学副教授卡梅尔·马吉迪说：“用硬而硬的材料制成的机器人相对容易使用现有的计算机仿真工具建模。”“到目前为止，还没有很好的软件工具来模拟柔软而柔软的机器人。我们的工作是第一批演示如何使用用于建模头发的相同计算机图形软件来成功模拟软机器人的工作之一。以及大片和动画电影中的面料。”

研究人员三年前开始在Majidi的Soft Machines Lab中合作。Jawed继续他们在这项最新工作上的合作，在UCLA的研究实验室中进行了模拟，而Majidi进行了物理实验，然后进行了验证模拟结果的物理实验。

该研究部分由陆军研究办公室资助。

美国陆军作战能力发展司令部陆军研究实验室成员，陆军研究室项目经理塞缪尔·斯坦顿博士说：“软机器人的实验进展已经超过了理论几年。”“这项努力是我们预测和设计动力学和控制能力的重要一步，该机器人在具有复杂接触和不断变化的环境的受限空间中运行的高度变形的机器人中。”

研究人员目前正在努力将该技术应用于其他种类的软机器人，例如受细菌和海星运动启发的那些。这样的游泳机器人可以完全不受束缚，并可以在海洋学中用于监测海水状况或检查脆弱的海洋生物的状况。

新的仿真工具可以大大减少将软机器人从绘图板引入应用程序所需的时间。尽管机器人距离自然系统的效率和功能还差得很远，但是计算机仿真可以帮助缩小这一差距。

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