編譯：張大筆茹、武帥、寧?kù)o
一只馴鹿帶著雪橇上的Anna公主和Kristoff一起奔跑，這是迪斯尼備受好評(píng)的動(dòng)畫電影《冰雪奇緣》中非常精彩的一幕：饑餓的狼追逐著他們穿過白雪皚皚的森林，Kristoff從雪橇上掉下來(lái)，狼群舔著他的腳，并在他身后激起了一絲雪。
營(yíng)造影片中自然又柔軟的雪花質(zhì)感可不是一件容易的事情。為此，迪士尼邀請(qǐng)到了加州大學(xué)洛杉磯分校博士后數(shù)學(xué)學(xué)者Teran和Craig Schroeder加入，開發(fā)了一種基于材料點(diǎn)法的算法，以模擬雪的表現(xiàn)。
自2007年以來(lái)一直擔(dān)任迪士尼顧問的Teran和團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)目前在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中創(chuàng)造雪的好模型并不存在。
之后，研究人員認(rèn)為物質(zhì)點(diǎn)法可以適應(yīng)重建雪。因此他們開發(fā)了關(guān)于該方法的論文和視頻，并于去年在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)會(huì)議Siggraph上展示。
“雪的反應(yīng)與其他材料不同，”Teran說(shuō)。“如果你壓雪，它會(huì)變得更硬。但是，庫(kù)卡機(jī)器人，如果你拉伸它，它會(huì)變?nèi)醪⒎至�。我們將所有這些都考慮在內(nèi)。”
Stomakhin說(shuō)，最初，“Matterhorn”僅用于模擬幾個(gè)場(chǎng)景中的積雪。但是算法創(chuàng)造了如此逼真的雪，迪斯尼藝術(shù)家最終在很多場(chǎng)景中使用它。他們甚至用它來(lái)模擬污垢。
而現(xiàn)在，這種技術(shù)被MIT拿來(lái)使用，有可能開發(fā)一只柔軟的機(jī)器人。
挑戰(zhàn)軟體機(jī)器人
提到機(jī)器人，可能大部分人會(huì)想到機(jī)械的外殼，所以電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中大白可愛無(wú)害的形體給我們留下了很深刻的印象。
那么，KUKA機(jī)器人示教器維修，有沒有想過自己設(shè)計(jì)一款像大白那種材質(zhì)的、摸起來(lái)很舒服的軟體機(jī)器人呢？
在最新的論文中，來(lái)自麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種專為機(jī)器人設(shè)計(jì)的新型模擬器，這種模擬器讓用戶自主設(shè)計(jì)各種功能的軟體機(jī)器人成為可能，并且已經(jīng)證明它可以逼真地模擬從爬行機(jī)器人到四足跑步機(jī)器人等各種機(jī)器人設(shè)計(jì)。
新論文的共同作者包括Yuanming Hu、Spielberg、訪問學(xué)生Jiancheng Liu，博士生Jiajun Wu以及麻省理工學(xué)院教授Joshua B. Tenenbaum、William T. Freeman、Daniela Rus和Wojciech Matusik。
論文鏈接：
https://arxiv.org/pdf/1810.01054.pdf
好像我們也可以設(shè)計(jì)自己的“大白”了，在了解這款軟體模擬器之前，先隨文摘菌掌握一點(diǎn)機(jī)器人設(shè)計(jì)的預(yù)備知識(shí)吧。
但是當(dāng)材料變成軟體，機(jī)器人之“心”就更難設(shè)計(jì)了。
當(dāng)涉及到由柔性可變形材料制成的軟體機(jī)器人時(shí)，這些模擬器的效果就不怎么好了。這是因?yàn)榭勺冃挝矬w所涉及到的底層物理定律要復(fù)雜得多，需要更強(qiáng)的計(jì)算能力才能模擬。
那么機(jī)器人是如何按照人類的意愿做事呢？
為了讓機(jī)器人做事，計(jì)算機(jī)科學(xué)家們通常使用一種被稱為物理模擬器的系統(tǒng)來(lái)反映機(jī)器人的行為將如何影響現(xiàn)實(shí)世界。模擬器不僅可以有效地評(píng)估機(jī)器人設(shè)計(jì)效果，還可以提供有關(guān)如何改進(jìn)設(shè)計(jì)的反饋。
“鏈后”誕生
那么，這款適用于柔性材質(zhì)的模擬器系統(tǒng)是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？
模擬器系統(tǒng)的反饋是基于“鏈?zhǔn)椒▌t（the chain rule）”計(jì)算的，因此團(tuán)隊(duì)也稱該模擬器為“鏈后（ChainQueen）”。團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種該模擬器的高性能GPU實(shí)現(xiàn)算法并希望最終將其開源。具體可參照下面的視頻：
“鏈后”采用的是現(xiàn)有的技術(shù)—物質(zhì)點(diǎn)法（Material Point Method, MPM）來(lái)模擬物體的性質(zhì)，這項(xiàng)技術(shù)曾經(jīng)被用在電影《冰雪奇緣》中來(lái)創(chuàng)建逼真的雪花。具體來(lái)說(shuō)，庫(kù)卡機(jī)器人何服電機(jī)維修，這款新模擬器使用的是一種更加快速的物質(zhì)點(diǎn)法：基于移動(dòng)最小二乘法的物質(zhì)點(diǎn)法（Moving Least Squares-Material Point Method, MLS-MPM）。并且它可以更加無(wú)縫地結(jié)合到推理、控制和協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。（MLS-MPM由論文共同作者Yuanming Hu以及來(lái)自賓夕法尼亞大學(xué)和加州大學(xué)洛杉磯分校的研究人員共同開發(fā)）
模擬器使用基于移動(dòng)最小二乘法的物質(zhì)點(diǎn)法（MLS-MPM）并使其“可微分”，這意味著可以對(duì)機(jī)器人控制和設(shè)計(jì)的所有問題進(jìn)行最速下降法的導(dǎo)數(shù)或方向的計(jì)算。同時(shí)也意味著數(shù)值優(yōu)化器可以有效地搜索機(jī)器人的最佳配置，并且比最近的無(wú)導(dǎo)數(shù)優(yōu)化方法（如強(qiáng)化學(xué)習(xí)）效率更高。
物質(zhì)點(diǎn)法
物質(zhì)點(diǎn)法采用質(zhì)點(diǎn)離散材料區(qū)域， 用背景網(wǎng)格計(jì)算空間導(dǎo)數(shù)和求解動(dòng)量方程，避免了網(wǎng)格畸變和對(duì)流項(xiàng)處理， 兼具拉格朗日和歐拉算法的優(yōu)勢(shì)， 主要用于沖擊、侵徹、爆炸等高速、大變形問題的求解。
物質(zhì)點(diǎn)法曾被用來(lái)助力電影《冰雪奇緣》的逼真雪景呈現(xiàn)，作為顧問，加州大學(xué)洛杉磯分校博士后數(shù)學(xué)學(xué)者Teran和Craig Schroeder加入了由三名迪士尼軟件工程師Alexey Stomakhin，Andrew Selle和Lawrence Chai組成的團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一種基于材料點(diǎn)法的算法，以創(chuàng)建雪的表現(xiàn)模擬。
動(dòng)畫電影“冰雪奇緣”中的場(chǎng)景展示了加州大學(xué)洛杉磯分校數(shù)學(xué)家在與迪士尼軟件工程師合作模擬雪的表現(xiàn)時(shí)所取得的成就。
軟體機(jī)器人后記
“我們相信這個(gè)系統(tǒng)有可能大大加速軟體機(jī)器人的發(fā)展，”博士生Andrew Spielberg說(shuō)道，他是IEEE國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)（International Conference on Robotics and Automation, ICRA）上發(fā)表的新論文的共同作者之一。“我們還創(chuàng)建了一個(gè)TensorFlow接口，允許各級(jí)用戶開發(fā)自己的軟體機(jī)器人系統(tǒng)，而無(wú)需了解模擬器的底層細(xì)節(jié)。”
該項(xiàng)目目前專注于彈性設(shè)計(jì)，但是Yuanming Hu表示，未來(lái)的工作將會(huì)模擬其他材料，如塑料、布料或流體，甚至是更加復(fù)雜的軟環(huán)境與硬環(huán)境之間的相互作用。