【我們為什麼編譯這篇文章】這個超級酷的 3D 掃描技術,就是把任何東西不斷丟進水裡, 透過浮力和體積的原理,建造出最符合真實比例的 3D 模型。3D 掃描本身就很新潮了,現在還用「水」當作媒介,完全讓我開了眼界。(責任編輯:謝秉芸)

3D 數位掃描一直是在工業設計產學界的熱門話題,全球愈來愈多研發能量投入於 3D掃描技術與逆向工程技術,相關應用亦日趨成熟。科學家近日在 3D 掃描技術上取得新突破:發明了利用水來感應形狀的 3D 掃描技術「Dip Transform 滴進成形」,搭配機器人的準確操作,讓 3D 模型重建更完整、更安全也更便宜。

一般傳統的 3D 掃描和重建技術使用光學設備,然而當這些掃描技術面臨物體中閉塞、透明或產生高度折射的區域,可能產生誤讀或無法探測的情況。執行上,傳統掃描儀器佔地大且要價不菲,同時有雷射作業的安全疑慮。

有鑑於此,以以色列本古里安大學為首的跨國研究團隊把阿基米德在兩千年前發現的浮體原理發揚光大,研發出「dip transform 滴進成形」技術。團隊將 3D 重建問題轉換為體積問題,成功突破了傳統光學斷層掃瞄裝置在光學與能見度上的限制,同時透過工業機器人的應用解消環境設備層面的安全疑慮。

機器人手臂幫你完成水中 3D 掃瞄

3D 掃描與機器人在工業技術上相輔相呈並非頭一遭。3D 掃描技術被廣泛使用於 NDT非破壞性檢測(nondestructive testing),工業機器人則是產學界普遍看好提升NDT 效率的好幫手。

非破壞性檢測技術是工業設計與製造業常見的品管流程,業界相信,具有重複性、準確性和精準性等特色的自動化機器人手臂,將有助提升 NDT 系統的靈活性,結合 3D掃描應用能創造更高的效率,提供更加精確和完整的 3D 結構重整與缺陷檢測。

儘管前景看好,工業機器人與 NDT 技術的設計結合仍有待加強之處。首先,就移動控制而言仍不夠敏銳,目前工業機器人提供的 PID 控制循環(proportional–integral–derivative controller)率,仍不到檢測技術精準掃描所要求的十分之一。

另一個挑戰是獲取資料的速度,多數的標準機器人僅能提供約 200 赫茲的低功率反饋位置,這對於需要即時機器人定位監控的 NDT 技術而言仍不夠快。

學者樂觀地相信,一旦精準度與速度的問題解決,工業機器人甚至有取代傳統 3D 掃描在部分 NDT 功能的可能性。

阿基米德古智慧與新科技的結晶:Dip Transform 滴進成形

工業機器人在「Dip Transform 滴進成形」的 3D 掃描技術的應用上,扮演著舉足輕重的角色。有趣的是,這項融合了古老智慧與機器人科技的新技術,事實上啟發自阿基米德的浮體原理,意即「在流體中的物體受到向上的浮力,其大小等於物體所排開流體的重量」。

具體做法是,機器手臂抓住被測物體沿著軸心沈入水缸中,科學家測量液體排開的水量,以建構物體整體形狀。當物體以不同方向被反覆低浸至水中,不同的排水量產生並且沿著軸心轉化成一系列薄片,科學家收集各個角度的斜角薄片樣本進行 3D 重組,繼而利用機器探測伸展的次數來衡量重建的品質。

這項技術最重要的特色在於,將液體排水量作為形狀的感應器。科學家指出:「有異於光學感應器,液體沒有視線的阻礙,水可以穿透裂縫、被遮蔽的區塊以及透明、反光的材質,因此打破了傳統掃描機器在能見度和光學上的限制。」

這個優勢使「Dip Transform 滴進成形」技術能夠以相對直接的方式感應無法接觸的部分。同時,相對於傳統電腦掃描設備昂貴、佔地面積大,且需要在多項安全管制下執行,工業機器人手臂的加入使其減少了操作上的安全顧慮,也更加便宜。

最大挑戰:物體落水 1000 次才建出 3D 模型

「Dip Transform 滴進成形」技術目前在概念驗證的階段,操作上仍有尚未克服的難題。科學家指出,過程中如果遇到凹面或含有導管可能會使掃描停滯。另外一個挑戰在於可能耗費的時間,機器手臂為了創造高保真度的掃描,必須將物體浸入水中 500到 1000 次,對現階段機器手臂的速率來說將付出相當大的的時間成本。「這有可能造成暫時性的瓶頸,」研究團隊承認,「換言之,這可能會耗去非常久的時間。」

儘管技術未臻成熟,「Dip Transform 滴進成形」的概念突破了以往限制於諸多條件下的 3D 物體重建思維,使工業設計界向打造更完美精確的 3D 模型重建目標跨了一大步。這個實踐也是人工智能與古老智慧融合的成功例證,提醒了我們,科技的最終目的是為更貼近人們的生活需求,當發展遇上瓶頸,試著回歸基本面,也許解答的靈感就在其中。

(圖片來源:Pixabay,本文提供合作夥伴轉載。)

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