La ricerca sulle traiettorie di centinaia di forme di carta in caduta libera può aiutare a informare la progettazione di robotica ispirata alla bio che imitano la natura.

I ricercatori del Bio-Inspired Robotics Lab del Dipartimento di Ingegneria hanno affrontato la sfida di modellare i comportamenti complessi e variegati dei cerchi e, per la prima volta, quadrato più complesso, forme esagonali e a croce, il tutto senza l'intervento umano.

La ricerca, pubblicato sulla rivista Intelligenza della macchina della natura , utilizza l'automazione robotica, computer vision e machine learning per mappare autonomamente i comportamenti di caduta delle forme che mostrano ciascuna quattro stili di caduta:tumbling (giramento continuo da un capo all'altro), caotico (commutazione tra movimenti di caduta e di picchiata senza una struttura apparente), costante e periodico (che cade costantemente o oscilla avanti e indietro con un orientamento orizzontale).

Dottorato in Ingegneria studente Toby Howison, che faceva parte del gruppo di ricerca, ha affermato che i risultati dello studio possono essere utilizzati per fornire informazioni pratiche sulla progettazione della robotica che potrebbe essere richiesta per esibire determinati comportamenti relativi alla loro stabilità o velocità di caduta, Per esempio.

L'approccio, noto come sistema di sperimentazione fisica iterativa (IPES), consente ai ricercatori di raccogliere rapidamente grandi volumi di dati e di analizzarli automaticamente per rivelare modelli nelle dinamiche sottostanti delle forme di carta che cadono. L'intero processo richiede in media 90 secondi per essere completato, con forme che impiegano da uno a cinque secondi per cadere a terra. L'automazione di questo processo fornisce un più ripetibile, approccio di classificazione meno soggettivo, ei risultati hanno mostrato che uno schema di classificazione non supervisionato come questo può differenziare accuratamente tra movimento caotico e rotolante in tutte e quattro le forme.

Il set-up sperimentale consisteva in un laser cutter per la produzione di forme, un braccio robotico Universal Robots UR5 dotato di una ventosa personalizzata per prelevare e rilasciare le forme da un'altezza di 1,1 metri, orizzontalmente o verticalmente (scelto a caso), e due telecamere ad alta velocità per registrare il comportamento in caduta. Ciò ha consentito di calcolare le traiettorie di caduta tridimensionali e l'oscillazione corrispondente. I dati sono stati quindi elaborati e utilizzati per segmentare e classificare automaticamente i comportamenti ed esaminare, ad esempio, il rapporto tra la forma della carta, il suo comportamento e la velocità di caduta.

Toby Howison ha detto:"Se dovessimo progettare robot volanti con movimenti complicati come planare o svolazzare, questo richiede una certa sperimentazione nel mondo reale. È qui che i sistemi autonomi come IPES possono aiutare a informare non solo la nostra comprensione di tali movimenti, ma anche come possono essere replicati nella progettazione robotica.

"Ricercando le traiettorie di centinaia di forme di carta in caduta libera, un fenomeno impegnativo di vecchia data, siamo stati in grado di studiare, analizzare e interpretare in modo nuovo i diversi tipi di comportamenti di caduta, grazie alla tecnologia robotica. Di conseguenza, ora possiamo trasferire il nostro apprendimento di questi comportamenti alla progettazione di robotica morbida che camminano o nuotano, Per esempio.

"Solo comprendendo strutture come le forme di carta che cadono liberamente possiamo imparare di più su come interagiscono i diversi componenti di quella struttura. La nostra ricerca mostra che l'interazione tra la forma della carta e il suo ambiente fornisce uno stile di caduta affidabile che viene creato senza alcun controllo a bordo, come, un chip di computer o un motore."