智東西（公眾號：zhidxcom）
作者 | 王健恩
編輯 | 高歌
智東西(xi)7月(yue)29日消息，美國南(nan)加(jia)州大學計算(suan)機(ji)科學系和英偉達(da)的研(yan)究人(ren)員推出(chu)了一(yi)種新(xin)的機(ji)器人(ren)切(qie)(qie)割模(mo)擬器，可(ke)以準確再現刀在切(qie)(qie)割水果、蔬(shu)菜等常(chang)見食品時作(zuo)用(yong)在刀上的力(li)。研(yan)究者(zhe)稱這是第一(yi)個(ge)用(yong)于機(ji)器人(ren)切(qie)(qie)割的可(ke)微(wei)分模(mo)擬器，并且該系統還可(ke)以模(mo)擬切(qie)(qie)割人(ren)體組(zu)織，為手術機(ji)器人(ren)提供了潛在的應用(yong)。
由于現(xian)實(shi)世界中沒有任何兩個(ge)(ge)物品是完全相(xiang)同的(de)(de)，所以(yi)機器人的(de)(de)切(qie)割系統(tong)也要根據(ju)切(qie)割的(de)(de)每(mei)一個(ge)(ge)物品做出相(xiang)應的(de)(de)調整，這給研究(jiu)(jiu)人員創建(jian)可(ke)復制切(qie)割的(de)(de)智能機器人造成了(le)困難。為了(le)克服這個(ge)(ge)困難，研究(jiu)(jiu)人員創造了(le)這個(ge)(ge)模型，以(yi)便更真實(shi)地模擬現(xian)實(shi)條件下的(de)(de)切(qie)割情(qing)況。
這項研究于7月16日在2021年機(ji)(ji)器人：科學與系統（RSS）會議上(shang)發表(biao)，并獲得了最佳學生(sheng)論(lun)文獎。論(lun)文題目為《DiSECt：用于自動機(ji)(ji)器人切割的可微(wei)分仿真引擎（DiSECt：A Differentiable Simulation Engine for Autonomous Robotic Cutting）》
論文鏈接：
一、為了讓機器人學會切割，研究者給水果蔬菜建了個模型
利用機器人(ren)實現對軟材料的(de)(de)切割，對于食品加工、家(jia)庭(ting)自動(dong)化和手(shou)術(shu)自動(dong)化等(deng)應用至關(guan)重要。與(yu)機器人(ren)的(de)(de)其他技術(shu)領域一樣(yang)，模擬(ni)器使研究人(ren)員(yuan)能夠驗證控制器、訓練控制策略并(bing)生(sheng)成用于切割的(de)(de)數據集，還能避免(mian)昂貴且耗時的(de)(de)現實試驗。
然而，現實世界中(zhong)的軟(ruan)材料（如水(shui)果、蔬(shu)菜(cai)、人(ren)體組織等）的材料特(te)性(xing)(xing)往往是未知(zhi)的，且不(bu)同材料之間(jian)的差異性(xing)(xing)也極大(da)。此外，切割的理想軌跡可能事(shi)先無法(fa)得知(zhi)，并且需(xu)要(yao)對切割動作(zuo)進行有效的控制和優化，這種需(xu)求促使了可微分模擬器的產生。
不過，切割(ge)的微分模(mo)擬是(shi)一個難題，因為自然(ran)切割(ge)是(shi)一個不連續的過程(cheng)，在(zai)這個過程(cheng)中會有(you)裂(lie)紋形成(cheng)，斷裂(lie)也會擴展，這使研究(jiu)人(ren)員難以對梯度進行(xing)計算。
為了(le)解(jie)決這個問題，研究(jiu)團隊設計了(le)一種模擬器來模擬切割，該(gai)方法以連續的(de)方式表示裂紋擴展(zhan)和損傷力學的(de)過程，研究(jiu)團隊將(jiang)這種模擬器命名為DiSECt。
具體來說就是研究人員為(wei)被(bei)切(qie)割物品創建了(le)(le)一個模(mo)型(xing)，并在模(mo)型(xing)的切(qie)割面引入(ru)了(le)(le)“彈(dan)(dan)簧(huang)”。彈(dan)(dan)簧(huang)的強(qiang)(qiang)度(du)與刀具施(shi)加在物品上的力成反比，隨著刀的施(shi)壓(ya)，彈(dan)(dan)簧(huang)的強(qiang)(qiang)度(du)會逐漸減弱直至斷(duan)裂，這更真實地模(mo)擬了(le)(le)現實條(tiao)件下的切(qie)割情況。
▲被切割(ge)物模型(xing)及切面內的“彈簧(huang)”（青(qing)色線條(tiao)）
二、模型“可微分”，讓模擬切割過程更真實
DiSECt利用常(chang)用的(de)有限(xian)元(yuan)(yuan)分析法（FEM）來模擬軟材料，將要切割的(de)物品用一個由四(si)面體元(yuan)(yuan)素組成的(de)3D網格表(biao)示。研(yan)究者(zhe)沿著預(yu)設的(de)切割面，按(an)照虛擬節(jie)(jie)點(dian)算法對網格進行切片，并(bing)在(zai)切面上添(tian)加虛擬節(jie)(jie)點(dian)。利用這些虛擬節(jie)(jie)點(dian)，研(yan)究者(zhe)可以準確(que)模擬刀具在(zai)切割時的(de)受力狀(zhuang)態。
然后，研究(jiu)者在連續切割面插入了連接(jie)切面兩側虛擬(ni)節點的“彈簧(huang)”，這些彈簧(huang)能(neng)夠使研究(jiu)人員以連續的方式模擬(ni)損傷力學和裂(lie)紋的擴(kuo)展情況(kuang)。隨(sui)著(zhu)刀具的施(shi)力，彈簧(huang)的強度會逐漸(jian)降低直至(zhi)消失。
▲模擬切割(ge)過程(cheng)中(zhong)物品發生的形變
這種(zhong)連續(xu)的(de)變化(hua)能夠使研究(jiu)人員更快地(di)弄清被(bei)切割材料(liao)(liao)的(de)材料(liao)(liao)特性(xing)或刀(dao)具軌跡參數的(de)梯度(du)。例如(ru)，給定刀(dao)具垂直和側(ce)向速(su)度(du)的(de)梯度(du)，研究(jiu)者可以有效(xiao)地(di)確定施力(li)最小(xiao)且速(su)度(du)最快的(de)切割方法。
通過(guo)基于梯度的(de)優化算法，研究者(zhe)可以(yi)自動調整(zheng)仿真參數，以(yi)實現模擬器與(yu)實際測量值(zhi)之(zhi)間的(de)緊密匹(pi)配。
論文的(de)主(zhu)要作者、博士生(sheng)Eric Heiden說：“我們的(de)模擬(ni)(ni)器之(zhi)(zhi)所以是一(yi)種特(te)殊類型的(de)模擬(ni)(ni)器是因為它是‘可(ke)微分(fen)的(de)’，這(zhe)意味著我們可(ke)以利(li)用(yong)現(xian)實世界(jie)(jie)的(de)測量結(jie)果調整這(zhe)些模擬(ni)(ni)參(can)數。縮小(xiao)模擬(ni)(ni)與(yu)現(xian)實之(zhi)(zhi)間(jian)的(de)差距對當今的(de)機(ji)器人專家來說是一(yi)項重大挑(tiao)戰(zhan)。沒有這(zhe)一(yi)點，機(ji)器人可(ke)能(neng)永(yong)遠無法擺脫模擬(ni)(ni)進入現(xian)實世界(jie)(jie)。”
三、模擬器讓機器人切割過程省力15%
研究(jiu)者在一項實驗(yan)中對DiSECt進(jin)行了驗(yan)證，其(qi)首先使用相應(ying)的(de)模(mo)擬網格及材料屬性(xing)對模(mo)擬器(qi)進(jin)行設(she)置，并對其(qi)余參數進(jin)行優(you)化以減少模(mo)擬器(qi)和真(zhen)實刀具之間力的(de)分布差異。隨后(hou)進(jin)行150次(ci)的(de)梯度(du)評估。
驗證(zheng)結果顯示，模擬(ni)(ni)(ni)器最初的(de)預測(ce)與(yu)實(shi)際結果相差甚(shen)遠(yuan)，但(dan)是隨著模擬(ni)(ni)(ni)次(ci)數的(de)增加，模擬(ni)(ni)(ni)器會自動(dong)找到最準確的(de)結果進(jin)行擬(ni)(ni)(ni)合，最終模擬(ni)(ni)(ni)器精(jing)確地預測(ce)了刀具的(de)受(shou)力分布。
▲150次模擬切割過程的結(jie)果曲線變化
研究(jiu)者還使用成熟的商業模擬器生成額外數(shu)據，使他(ta)們能夠(gou)更精確的控制實驗設置。優化了(le)模擬參數(shu)后，DiSECt能夠(gou)更準確地預測切割(ge)速度以及力(li)的分布。
除此之外，研究者還發(fa)現(xian)DiSECt還能(neng)夠(gou)用于優化刀具(ju)的(de)(de)切割運動，以找到最優的(de)(de)切割方式(shi)。比如優化開始前，機器人(ren)只能(neng)進(jin)行垂直(zhi)向下(xia)的(de)(de)切割，隨著模擬器的(de)(de)不斷自我(wo)優化，能(neng)夠(gou)實現(xian)鋸切運動。
▲模擬(ni)的鋸切過程及刀具受力變(bian)化(hua)
研究人(ren)員稱，相對于(yu)未經優化(hua)的直接切(qie)割，通過DiSECt對切(qie)割運動進行優化(hua)后施加在刀(dao)具(ju)上(shang)的力平(ping)均可以減少(shao)15%。
“這(zhe)項研(yan)究(jiu)最重要(yao)的(de)是要(yao)有一個(ge)準確的(de)切割(ge)(ge)過(guo)程(cheng)模(mo)型，并(bing)且能(neng)夠(gou)真實地再現在切割(ge)(ge)不(bu)同種類的(de)組織時作用在切割(ge)(ge)工(gong)具上的(de)力。通過(guo)我們的(de)方法，我們能(neng)夠(gou)自(zi)動調整我們的(de)模(mo)擬器(qi)以(yi)匹配不(bu)同類型的(de)材(cai)料，并(bing)實現對(dui)力分布的(de)高精度模(mo)擬。” Eric Heiden說。
研(yan)究(jiu)者稱，這項模型不僅可(ke)以(yi)(yi)在食(shi)品加工(gong)領域(yu)的機(ji)器人身上應用(yong)，還可(ke)以(yi)(yi)讓機(ji)器人替人類接(jie)管一些較危險的工(gong)作。此外(wai)，利用(yong)該模型對機(ji)器人進行訓練優化，可(ke)以(yi)(yi)提高手(shou)術(shu)機(ji)器人觸覺反饋(kui)的準確性，讓機(ji)器人能夠在外(wai)科手(shou)術(shu)中得(de)以(yi)(yi)應用(yong)。
在接下來的研究中，研究者將會把這(zhe)一模型應(ying)用于更多現(xian)實世(shi)界中的機器(qi)人，并拓(tuo)展其建模方法以適(shi)應(ying)更多更復雜的切割(ge)動作，比(bi)如雕刻等。
結語：切割模擬器讓機器人更懂切割，能讓機器人做手術了？
過(guo)去想(xiang)要(yao)讓(rang)機器(qi)人(ren)“學會(hui)(hui)”切(qie)(qie)菜可不是一件(jian)容(rong)易(yi)的事(shi)情。由于菜的種類、形(xing)狀、硬度(du)等(deng)條件(jian)大不相同，切(qie)(qie)割的難(nan)度(du)也有所不同，讓(rang)機器(qi)人(ren)學會(hui)(hui)切(qie)(qie)菜需(xu)(xu)要(yao)對這一過(guo)程進行反復的訓(xun)練和(he)調整，這不僅需(xu)(xu)要(yao)耗(hao)費(fei)大量時間和(he)精力，還會(hui)(hui)浪費(fei)大量的材(cai)料。
而(er)現在通過(guo)切(qie)割(ge)(ge)模型DiSECt對切(qie)割(ge)(ge)過(guo)程進行模擬(ni)優化，讓機器(qi)人的(de)整個(ge)學習過(guo)程變(bian)得(de)(de)更加輕松(song)。并且，它還(huan)能使機器(qi)人在不斷的(de)學習中變(bian)得(de)(de)更加聰(cong)明，讓切(qie)割(ge)(ge)更省力。
這(zhe)一項(xiang)模型的出現不(bu)僅(jin)讓(rang)許(xu)多需要用到“切(qie)割”這(zhe)一動作的領域（比如食(shi)品加工(gong)等）大(da)規模應用機(ji)器人工(gong)作成(cheng)為(wei)可能(neng)，還能(neng)讓(rang)人類(lei)遠離部分較為(wei)危險的工(gong)作崗位(wei)，避免以外事故的發生。
另外(wai)，手(shou)術機(ji)(ji)器人領(ling)域也是這一模型應用(yong)的前景之一。目前市場上的手(shou)術機(ji)(ji)器人應用(yong)范(fan)圍仍(reng)較窄，且(qie)靈(ling)活度(du)等方面仍(reng)不如人手(shou)，手(shou)術過程(cheng)仍(reng)需(xu)要(yao)依靠專(zhuan)業醫生的參與。有了(le)這一模型之后(hou)，能夠對手(shou)術機(ji)(ji)器人進行深度(du)訓練與優化，從(cong)而提高手(shou)術機(ji)(ji)器人的實用(yong)性。
來源(yuan)：南加州大學、Texh Xplore
