Simulation hilft auf die Sprünge

In den vergangenen Jahren wurden neue Verfahren entwickelt, um Roboter und Menschen schnellere Bewegungen und höhere Sprünge zu ermöglichen. Weiche, elastische Materialien speichern Energie, die, wenn gezielt freigesetzt, elegante, dynamische Bewegungen hervorzubringen vermag. Roboter springen so über Hindernisse, und Prothesen gestatten schnelles Laufen. Doch das alles genau und schnell zu simulieren,mitsamt Kontakt, Aufprall und Reibung, erwies sich bisher als problematisch. Viel Zeit vergeht, um Prototypen zu bauen und zu testen, die sich verlässlich in der gewünschten Weise bewegen. Ein Forscherteam wird an der SIGGRAPH zwei Berechnungsmethoden vorstellen, die das ändern sollen.

Zwei Berechnungsmethoden, die ein Forscherteam des Massachusetts Institute of Technology (MIT), der University of Toronto und von Adobe Research erdacht hat, weisen den ersten Schritt hin zur Automatisierung der Konstruktion der dynamischen Mechanismen hinter diesen Bewegungen. Sie sollen das Verhalten flexibler Vorrichtungen in der realen Welt 70-mal schneller als die bisher verwendeten Verfahren simulieren können und die Genauigkeit der simulierten Kollisionen und Rückfederungseffekte wesentlich verbessern helfen. Zumal seien die angewandten Methoden schnell und genau genug, die Konstruktion von Vorrichtungen für gesteuertes Springen zu automatisieren.

Die Ergebnisse der Arbeiten wird die Gruppe basierend auf dem Paper „Dynamics-Aware Numerical Coarsening for Fabrication Design“ an der SIGGRAPH 2017 in Los Angeles ab dem 30. Juli vorstellen.

Desai Chen, Doktorand an MIT’s Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) ist sich sicher, dass die Forschungsarbeit eine Vorreiterrolle einnehme, was die Anwendung von Verfahren der Computergrafik auf reale Objekte mit dynamischen Verhalten und Kontakt betreffe. „Die Verfahren, die wir entwickelt haben, öffnen die Tür zur Automatisierung der Konstruktion von hochgradig dynamischen, sich schnell bewegenden Objekten“.

Zu den Co-Autoren gehören David I.W. Levin, Assistant Professor an der Universität Toronto; Wojciech Matusik, Associate Professor of Electrical Engineering and Computer Science am MIT und Danny M. Kaufman, Senior Research Scientist bei Adobe Research.

Die Fortschritte in CAD-Konstruktion, Modellierung und Rapid Manufacturing haben die Herstellung von Objekten mit anpassbaren physischen Eigenschaften deutlich vereinfacht, etwa von individuell angepassten Sportschuhen, komplexen Prothesen und Soft-Robotern. Gleichzeitig hat sich auch die Computergrafik enorm weiterentwickelt, was überzeugende Physikanimationen in Spielen, für virtuelle Realität und in Filmen betrifft. Die Wissenschaftler wollen die Effizienz und Genauigkeit für eine herstellungsgerechte und genaue Simulation von Objekten in Bewegung kombinieren.

Zunächst hat sich die Gruppe der Frage zugewandt, wie sich elastische Objekte bei Kollisionen möglichst nahe an der Realität und schnell genug für die Automatisierung des Konstruktionsprozesses simulieren lassen. Das unter Einbezug von Kontakt, Aufprall oder Reibung zu versuchen, bleibt zeitraubend und unpräzise.

Bis jetzt habe der vorhandene Computercode an dieser Stelle aufgeben müssen, sagt Danny M. Kaufman. Man benötige vielmehr Code, der Dinge wie schnelles Aufspringen, Kollision und Reibung korrekt modelliere.

Die beiden Verfahren namens Dynamics-Aware Coarsening (DAC) und Boundary Balanced Impact (BBI) wurden an der Konstruktion und Fertigung einer Vorrichtung dargestellt, die über eine Wand hüpft. Damit ließe sich die Simulation viel schneller als mit den aktuellen, bereits eingeführten Konzepten ausführen, und genauer im Vergleich zu Bewegungen in der realen Welt.

DAC setzt auf die Reduktion der Freiheitsgrade, um die Simulationen zu beschleunigen, erfasst dabei aber die wichtigen Bewegungen für dynamische Szenarien. Das Verfahren finden die weitmaschigsten Netze, die noch korrekt die entscheidenden, durch die Dynamik bewirkten Formen repräsentieren und passt die Eigenschaften dieser Netze direkt an einen zuvor im Video aufgenommenen realen Versuch an. Mit BBI lässt sich das Aufprallverhalten elastischer Objekte modellieren. Die Methode verwendet Werkstoffeigenschaften, um die Geschwindigkeit an den Aufschlagstellen hochzurechnen.  Damit ließen sich viele Situationen in der realen Welt modellieren, wie etwa Aufprall und Rückstoß eines weichen Materials an einem Tisch.

Die neuen Methoden könnten in der Entwicklung und Konstruktion von Robotern Eingang finden, zumal diese zunehmend menschliche Bewegungen und Eigenschaften nachbilden.

Bild: Eine Simulation (oben) und ein reales Experiment (unten) im Vergleich. Sie zeigen ein Objekt, dass über eine Wand springt und auf der anderen Seite der Wand landet. Die Simulation beruht auf einem neuen Verfahren, welches das tatsächliche Verhalten derartiger Objekte genau vorhersagt. Es ist schnell genug, um in automatisierten Konstruktionsalgorithmen eingesetzt zu werden, die rasch, aber dennoch präzise entscheiden sollen, ob eine derartige Konstruktion funktioniert oder nicht. Credit: Desai Chen