Aiutare i robot a gestire i fluidi

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Immagina di goderti un picnic sulla riva del fiume in una giornata ventosa. Una folata di vento cattura accidentalmente il tuo tovagliolo di carta e atterra sulla superficie dell'acqua, allontanandosi rapidamente da te. Afferri un bastoncino vicino e agiti con cura l'acqua per recuperarlo, creando una serie di piccole onde. Queste onde alla fine spingono il tovagliolo verso la riva, quindi lo afferri. In questo scenario, l'acqua funge da mezzo di trasmissione delle forze, consentendo di manipolare la posizione del tovagliolo senza contatto diretto.

Gli esseri umani interagiscono regolarmente con vari tipi di fluidi nella loro vita quotidiana, ma farlo è stato un obiettivo formidabile e sfuggente per gli attuali sistemi robotici. Ti dai un cappuccino? Un robot può farlo. Fallo? Ciò richiederà un po' più di sfumature.

FluidLab, un nuovo strumento di simulazione dei ricercatori del MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL), migliora l'apprendimento dei robot per compiti complessi di manipolazione dei fluidi come la realizzazione di latte art, gelato e persino la manipolazione dell'aria. L'ambiente virtuale offre una raccolta versatile di complesse sfide di gestione dei fluidi, che coinvolgono sia solidi che liquidi e più fluidi contemporaneamente. FluidLab supporta la modellazione di solidi, liquidi e gas, inclusi oggetti elastici, plastici, rigidi, liquidi newtoniani e non newtoniani, fumo e aria.

Al centro di FluidLab c'è FluidEngine, un simulatore fisico di facile utilizzo in grado di calcolare e simulare senza soluzione di continuità vari materiali e le loro interazioni, il tutto sfruttando la potenza delle unità di elaborazione grafica (GPU) per un'elaborazione più rapida. Il motore è "differenziale", il che significa che il simulatore può incorporare conoscenze fisiche per un modello del mondo fisico più realistico, portando a un apprendimento e una pianificazione più efficienti per le attività robotiche. Al contrario, la maggior parte dei metodi di apprendimento per rinforzo esistenti non hanno quel modello mondiale che dipende solo da tentativi ed errori. Questa capacità potenziata, affermano i ricercatori, consente agli utenti di sperimentare algoritmi di apprendimento dei robot e di giocare con i limiti delle attuali capacità di manipolazione robotica.

Per preparare il terreno, i ricercatori hanno testato gli algoritmi di apprendimento dei robot utilizzando FluidLab, scoprendo e superando sfide uniche nei sistemi fluidi. Sviluppando metodi di ottimizzazione intelligenti, sono stati in grado di trasferire in modo efficace questi insegnamenti dalle simulazioni agli scenari del mondo reale.

"Immagina un futuro in cui un robot domestico ti assiste senza sforzo nelle attività quotidiane, come preparare il caffè, preparare la colazione o cucinare la cena. Queste attività comportano numerose sfide nella manipolazione dei fluidi. Il nostro punto di riferimento è un primo passo per consentire ai robot di padroneggiare queste abilità, a vantaggio delle famiglie e allo stesso modo sui luoghi di lavoro", afferma Chuang Gan, ricercatore in visita presso il MIT CSAIL e ricercatore presso il Watson AI Lab del MIT-IBM, autore senior di un nuovo articolo sulla ricerca. "Ad esempio, questi robot potrebbero ridurre i tempi di attesa e migliorare l'esperienza dei clienti nei bar affollati. FluidEngine è, a nostra conoscenza, il primo motore fisico nel suo genere che supporta un'ampia gamma di materiali e accoppiamenti pur essendo completamente differenziabili. Con i nostri compiti standardizzati di manipolazione dei fluidi, i ricercatori possono valutare gli algoritmi di apprendimento dei robot e ampliare i confini delle odierne capacità di manipolazione robotica."

Fantasia fluida

Negli ultimi decenni, gli scienziati nel campo della manipolazione robotica si sono concentrati principalmente sulla manipolazione di oggetti rigidi o su compiti molto semplicistici di manipolazione dei fluidi come versare acqua. Anche studiare queste attività di manipolazione che coinvolgono i fluidi nel mondo reale può essere un’impresa pericolosa e costosa.

Tuttavia, nella manipolazione dei fluidi non si tratta sempre solo di fluidi. In molti compiti, come creare il vortice perfetto del gelato, mescolare i solidi con i liquidi o remare nell'acqua per spostare gli oggetti, è una danza di interazioni tra fluidi e vari altri materiali. Gli ambienti di simulazione devono supportare l'"accoppiamento" o il modo in cui interagiscono due diverse proprietà del materiale. Le attività di manipolazione dei fluidi di solito richiedono una precisione piuttosto fine, con interazioni delicate e manipolazione di materiali, distinguendole da attività semplici come spingere un blocco o aprire una bottiglia.