机器人仿真技术获新突破！美科学家开发实时物理引擎预测软机器人运动

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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软体机器人的运动。软体机器人由柔软的弹性材料制成，这使它们具有抵抗外力损坏的能力，并且在与人互动时更加安全。在进行这项研究之前，预测软体机器人的运动一直是让科学家们头疼的事，因为它们在运行过程中很容易改变形状。

这一研究成果近期发表在Nature Communications期刊上，论文名为“Dynamic simulation of articulated softrobots”。

研究人员使用形状记忆合金材料（SMA）构建了两种类型的软体机器人：七角星滚动机器人，和具有单个肢体的跨接机器人。分别在平坡，上坡，下坡和凹凸不平的表面上进行了实验和仿真。

实验原理

七角星滚动机器人由SMA弹簧嵌入硅橡胶制成。当向SMA弹簧施加电流时，弹簧被激活，伸展为刚性笔直的状态。过了一会自动恢复到卷曲状态。因此，机器人可在卷曲和笔直的状态之间快速转换并且滚动起来。研究人员还可以通过单个SMA供电的执行器来测量机器人随时间改变的自然曲率和弯曲刚度。

跨接机器人则相对简单，只是一根弯曲的半圆形SMA弹簧。当被电流驱动时，弹簧伸直，由于来自地面的反作用力，机器人可以跳起来。

计算机图形技术

电影中通常使用一种称为离散弹性棒（DER）的算法来对物体进行动画处理。DER可以一秒内预测数百次运动。该研究团队正是使用DER算法开发了一种物理引擎，该引擎能够无缝集成驱动，摩擦，接触以及弹性/非弹性物体碰撞，从而预测快速移动的高度变形软机器人的行为，甚至可以模拟在火星表面或水下等困难环境中机器人的运动。

另一种常用于机器人仿真的技术叫有限元方法（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的软材料模型，而且需要大量时间和计算成本。

机器人仿真技术新突破

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。卡内基梅隆大学机械工程副教授Carmel Majidi说：“刚性机器人相对容易使用现有的计算机仿真工具建模。到现在为止，还没有完美的软件工具来模拟软体机器人。而大片和动画电影中使用的计算机图形技术可对头发和织物进行建模，我们的研究首次展示了如何使用与电影中相同的技术来模拟软体机器人。”

UCLA的KhalidJawed教授表示：“不仅如此，我们的技术比其他基于软机器人的实时仿真技术都要快，这使机器人向具有自主性和自行规划动作的能力迈出了重要一步。”

下一步

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，例如海星机器人。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。这种新的仿真技术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。尽管机器人还不足以帮助提高自然系统的效率和功能，但是计算机仿真可以帮助缩小这一差距。

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