《冰雪奇緣》的「造雪技術」太強大,MIT:我們拿它打造出杯麵機器人吧

【為什麼我們要挑選這篇文章】《冰雪奇緣》的白雪世界令影迷們印象,影片中的雪花看來就像是真實世界裡的雪一樣。其實打造出這項雪花技術並不容易,迪士尼還為此邀請學者加入,以完美地模擬雪的表現。

現在,這項技術被 MIT 拿來打造了有如《大英雄天團》裡白白軟軟的杯麵一樣的「軟體機器人」……(責任編輯:藍立晴)

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一隻馴鹿帶著雪橇上的 Anna 公主和 Kristoff 一起奔跑,這是迪士尼備受好評的動畫電影《冰雪奇緣》中非常精彩的一幕:飢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,狼群舔著他的腳,並在他身後激起了一絲雪。

營造影片中自然又柔軟的雪花質感可不是一件容易的事情。為此,迪士尼邀請到了加州大學洛杉磯分校博士後數學學者 Teran 和 Craig Schroeder 加入,開發了一種基於材料點法的演算法,以 模擬 雪的表現。

自 2007 年以來一直擔任迪士尼顧問的 Teran 和團隊進行了一系列研究,發現目前在電腦圖形學中創造雪的好模型並不存在。

之後,研究人員認為物質點法可以適應重建雪。因此他們開發了關於該方法的論文和影片,並於去年在電腦圖形學會議 Siggraph 上展示。

「雪的反應與其他材料不同,」Teran 說。「如果你壓雪,它會變得更硬。但是,如果你拉伸它,它會變弱並分裂。我們將所有這些都考慮在內。」

Stomakhin 說,最初,「Matterhorn」僅用於模擬幾個場景中的積雪。但是演算法創造了如此逼真的雪,迪士尼藝術家最終在很多場景中使用它。他們甚至用它來模擬污垢。

而現在,這種技術被 MIT 拿來使用,有可能開發一隻柔軟的機器人。

挑戰軟體機器人,以後真的能看到「杯麵」嗎?

提到機器人,可能大部分人會想到機械的外殼,所以電影《大英雄天團》中杯麵可愛無害的形體給我們留下了很深刻的印象。

那麼,有沒有想過自己設計一款像杯麵那種材質的、摸起來很舒服的軟體機器人呢?

在最新的論文中,來自麻省理工學院電腦科學與人工智慧實驗室(CSAIL)的團隊開發了一種專為機器人設計的新型模擬器, 這種模擬器讓用戶自主設計各種功能的軟體機器人成為可能 ,並且已經證明它可以逼真地模擬從爬行機器人到四足跑步機器人等各種機器人設計。

新論文的共同作者包括 Yuanming Hu、Spielberg、訪問學生 Jiancheng Liu,博士生 Jiajun Wu 以及麻省理工學院教授 Joshua B. Tenenbaum、William T. Freeman、Daniela Rus 和 Wojciech Matusik。

論文【傳送門】

好像我們也可以設計自己的「杯麵」了,在了解這款軟體模擬器之前,先隨文摘菌(本文作者)掌握一點機器人設計的預備知識吧。

但是當材料變成軟體,機器人之「心」就更難設計了。

當涉及到由柔性可變形材料製成的軟體機器人時,這些模擬器的效果就不怎麼好了。這是因為可變形物體所涉及到的底層物理定律要復雜得多,需要更強的運算能力才能模擬。

那麼機器人是如何按照人類的意願做事呢?

為了讓機器人做事,電腦科學家們通常使用一種被稱為物理模擬器的系統來反映機器人的行為將如何影響現實世界。模擬器不僅可以有效地評估機器人設計效果,還可以提供有關如何改進設計的反饋。

「鏈后」誕生

那麼,這款適用於柔性材質的模擬器系統是怎麼實現的呢?

模擬器系統的反饋是基於「連鎖法則(the chain rule)」計算的,因此團隊也稱該模擬器為「鏈后(ChainQueen)」。 團隊開發了一種該模擬器的高性能 GPU 實現算法並希望最終將其開源 。具體可參照下面的影片:

「鏈后」採用的是現有的技術——物質點法(Material Point Method, MPM)來模擬物體的性質,這項技術曾經被用在電影《冰雪奇緣》中來創建逼真的雪花。

具體來說,這款新模擬器使用的是一種更加快速的物質點法:基於移動最小二乘法的物質點法(Moving Least Squares-Material Point Method, MLS-MPM)。並且它可以更加無縫地結合到推理、控制和協同設計系統中。(MLS-MPM 由論文共同作者 Yuanming Hu 以及來自賓夕法尼亞大學和加州大學洛杉磯分校的研究人員共同開發)

模擬器使用基於移動最小二乘法的物質點法(MLS-MPM)並使其「可微分」,這意味著可以對機器人控制和設計的所有問題進行最速下降法的導數或方向的計算。同時也意味著數值優化器可以有效地搜索機器人的最佳配置,並且比最近的無導數優化方法(如強化學習)效率更高。

物質點法

物質點法採用質點離散材料區域, 用背景網路計算空間導數和求解動量方程,避免了網格畸變和對流項處理, 兼具拉格朗日和歐拉方法的優勢, 主要用於衝擊、侵徹、爆炸等高速、大變形問題的求解。

物質點法曾被用來助力電影《冰雪奇緣》的逼真雪景呈現,作為顧問,加州大學洛杉磯分校博士後數學學者 Teran 和 Craig Schroeder 加入了由三名迪士尼軟體工程師 Alexey Stomakhin、Andrew Selle 和 Lawrence Chai 組成的團隊,開發了一種基於材料點法的算法,以創建雪的表現模擬。

動畫電影《冰雪奇緣》中的場景展示了加州大學洛杉磯分校數學家在與迪士尼軟體工程師合作模擬雪的表現時所取得的成就。

軟體機器人後記

我們相信這個系統有可能大大加速軟體機器人的發展,」博士生 Andrew Spielberg 說道,他是 IEEE 國際機器人與自動化大會(International Conference on Robotics and Automation, ICRA)上發表的新論文的共同作者之一。

「我們還創建了一個 TensorFlow 接口,允許各級用戶開發自己的軟體機器人系統,而無需了解模擬器的底層細節。」

該項目目前專注於彈性設計,但是 Yuanming Hu 表示,未來的工作將會模擬其他材料,如塑料、布料或流體,甚至是更加複雜的軟環境與硬環境之間的相互作用。

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈《冰雪奇缘》造雪花的技术,被 MIT 用来开发了一只软体机器人 〉。首圖來源擷取自 YouTube 影片。)

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