如今，電影動(dòng)畫和視頻游戲令人印象深刻，栩栩如生，捕捉到一縷頭發(fā)垂落在女主人公的眼睛上，或一幅帆布風(fēng)帆在風(fēng)中飄揚(yáng)。來自加利福尼亞大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)和卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的合作者首次采用了這種復(fù)雜的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)來模擬柔軟的四肢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

研究結(jié)果于5月6日發(fā)表在《自然通訊》上，論文名為“鉸接式軟機(jī)器人的動(dòng)態(tài)仿真”。

研究作者機(jī)械和航空航天學(xué)助理教授哈立德·賈維德(Khalid Jawed)表示：“我們比軟機(jī)器人的實(shí)時(shí)仿真要快，這是向此類具有自主性并可以自行計(jì)劃動(dòng)作的機(jī)器人邁出的重要一步。 UCLA Samueli工學(xué)院的工程學(xué)。“軟機(jī)器人由柔性材料制成，這使它們本質(zhì)上具有抵抗損壞的彈性，并且在與人互動(dòng)時(shí)可能更加安全。在進(jìn)行此項(xiàng)研究之前，預(yù)測(cè)這些機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈儠?huì)在運(yùn)行過程中改變形狀。”

電影通常使用稱為離散彈性桿(DER)的算法來為自由流動(dòng)的物體設(shè)置動(dòng)畫。DER可以在一秒鐘內(nèi)預(yù)測(cè)數(shù)百個(gè)運(yùn)動(dòng)。研究人員希望使用DER創(chuàng)建一個(gè)物理引擎，該引擎可以模擬受生物啟發(fā)的機(jī)器人以及挑戰(zhàn)性環(huán)境(例如火星表面或水下)中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

另一種基于算法的技術(shù)，即有限元方法(FEM)，可以模擬固體和剛性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，但它不適用于解決柔和自然運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜情況。它還需要大量時(shí)間和計(jì)算能力。

迄今為止，機(jī)器人專家一直使用艱辛的反復(fù)試驗(yàn)過程來研究軟材料系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，軟機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)副教授卡梅爾·馬吉迪說：“用硬而堅(jiān)硬的材料制成的機(jī)器人相對(duì)容易使用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)仿真工具建模。” “到目前為止，還沒有很好的軟件工具來模擬柔軟而柔軟的機(jī)器人。我們的工作是第一批演示如何使用用于建模頭發(fā)的相同計(jì)算機(jī)圖形軟件來成功模擬軟機(jī)器人的工作之一。以及大片和動(dòng)畫電影中的面料。”

研究人員三年前開始在Majidi的Soft Machines Lab中合作。Jawed繼續(xù)他們?cè)谶@項(xiàng)最新工作上的合作，在UCLA的研究實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了模擬，而Majidi進(jìn)行了物理實(shí)驗(yàn)，然后進(jìn)行了驗(yàn)證模擬結(jié)果的物理實(shí)驗(yàn)。

該研究部分由陸軍研究辦公室資助。

美國(guó)陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部陸軍研究實(shí)驗(yàn)室成員，陸軍研究辦公室項(xiàng)目經(jīng)理塞繆爾·斯坦頓博士(Samuel Stanton)說：“軟機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展已經(jīng)超過了理論幾年。” “這項(xiàng)努力是我們預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)和控制能力的重要一步，該機(jī)器人在具有復(fù)雜接觸和不斷變化的環(huán)境的受限空間中運(yùn)行的高度變形的機(jī)器人中。”

研究人員目前正在努力將該技術(shù)應(yīng)用于其他種類的軟機(jī)器人，例如受細(xì)菌和海星運(yùn)動(dòng)啟發(fā)的那些。這種游泳機(jī)器人可以完全不受束縛，并可以在海洋學(xué)中用于監(jiān)視海水狀況或檢查脆弱的海洋生物的狀況。

新的仿真工具可以大大減少將軟機(jī)器人從繪圖板引入應(yīng)用程序所需的時(shí)間。盡管機(jī)器人距離自然系統(tǒng)的效率和功能還差得很遠(yuǎn)，但是計(jì)算機(jī)仿真可以幫助縮小這一差距。