隨著數(shù)字技術(shù)不斷成熟,，動(dòng)畫電影和視頻游戲越來越寫實(shí)和逼真，栩栩如生的動(dòng)物皮毛,，隨風(fēng)出現(xiàn)的水流波紋,，或是發(fā)射著愛心向你走來的妲己~~

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先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)來模擬軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。軟體機(jī)器人由柔軟的彈性材料制成,，這使它們具有抵抗外力損壞的能力,，并且在與人互動(dòng)時(shí)更加安全。在進(jìn)行這項(xiàng)研究之前,，預(yù)測(cè)軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)一直是讓科學(xué)家們頭疼的事,，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)行過程中很容易改變形狀。

這一研究成果近期發(fā)表在Nature Communications期刊上,，論文名為“Dynamic simulation of articulated softrobots”,。

研究人員使用形狀記憶合金材料（SMA）構(gòu)建了兩種類型的軟體機(jī)器人：七角星滾動(dòng)機(jī)器人，和具有單個(gè)肢體的跨接機(jī)器人,。分別在平坡,，上坡，下坡和凹凸不平的表面上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和仿真,。

七角星滾動(dòng)機(jī)器人由SMA彈簧嵌入硅橡膠制成,。當(dāng)向SMA彈簧施加電流時(shí)，彈簧被激活,，伸展為剛性筆直的狀態(tài),。過了一會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到卷曲狀態(tài)。因此,，機(jī)器人可在卷曲和筆直的狀態(tài)之間快速轉(zhuǎn)換并且滾動(dòng)起來,。研究人員還可以通過單個(gè)SMA供電的執(zhí)行器來測(cè)量機(jī)器人隨時(shí)間改變的自然曲率和彎曲剛度,。

跨接機(jī)器人則相對(duì)簡(jiǎn)單，只是一根彎曲的半圓形SMA彈簧,。當(dāng)被電流驅(qū)動(dòng)時(shí),，彈簧伸直,，由于來自地面的反作用力,，機(jī)器人可以跳起來。

電影中通常使用一種稱為離散彈性棒（DER）的算法來對(duì)物體進(jìn)行動(dòng)畫處理,。DER可以一秒內(nèi)預(yù)測(cè)數(shù)百次運(yùn)動(dòng),。該研究團(tuán)隊(duì)正是使用DER算法開發(fā)了一種物理引擎，該引擎能夠無縫集成驅(qū)動(dòng),，摩擦,，接觸以及彈性/非彈性物體碰撞，從而預(yù)測(cè)快速移動(dòng)的高度變形軟機(jī)器人的行為,，甚至可以模擬在火星表面或水下等困難環(huán)境中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),。

另一種常用于機(jī)器人仿真的技術(shù)叫有限元方法（FEM），可以模擬固體和剛性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),，但它并不適合解決復(fù)雜的軟材料模型,，而且需要大量時(shí)間和計(jì)算成本。

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)機(jī)械工程副教授Carmel Majidi說：“剛性機(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,。到現(xiàn)在為止,，還沒有完美的軟件工具來模擬軟體機(jī)器人。而大片和動(dòng)畫電影中使用的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)可對(duì)頭發(fā)和織物進(jìn)行建模,，我們的研究首次展示了如何使用與電影中相同的技術(shù)來模擬軟體機(jī)器人,。”

UCLA的KhalidJawed教授表示：“不僅如此,，我們的技術(shù)比其他基于軟機(jī)器人的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)都要快,，這使機(jī)器人向具有自主性和自行規(guī)劃動(dòng)作的能力邁出了重要一步?！?/span>

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,，例如海星機(jī)器人。這樣的游泳機(jī)器人可以完全不受束縛,，并可以在海洋學(xué)中用于監(jiān)測(cè)海水狀況或檢查脆弱的海洋生物,。這種新的仿真技術(shù)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)器人還不足以幫助提高自然系統(tǒng)的效率和功能,，但是計(jì)算機(jī)仿真可以幫助縮小這一差距,。