La recherche sur les trajectoires de centaines de formes de papier en chute libre peut aider à éclairer la conception de la robotique bio-inspirée qui imitent la nature.

Des chercheurs du laboratoire de robotique bio-inspirée du Département d'ingénierie ont relevé le défi de modéliser les comportements complexes et variés des cercles et, pour la première fois, carré plus complexe, formes hexagonales et croisées, le tout sans intervention humaine.

La recherche, publié dans la revue Nature Machine Intelligence , utilise l'automatisation robotique, la vision par ordinateur et l'apprentissage automatique pour cartographier de manière autonome les comportements de chute des formes qui présentent chacune quatre styles de chute :le tumbling (tournant continuellement de bout en bout), chaotique (basculement entre les mouvements de culbutage et de piqué sans structure apparente), stable et périodique (chute régulière ou oscillant d'avant en arrière avec une orientation horizontale).

Doctorat en génie étudiant Toby Howison, qui faisait partie de l'équipe de recherche, a déclaré que les résultats de l'étude peuvent être utilisés pour fournir un aperçu pratique de la conception de la robotique qui peut être nécessaire pour présenter certains comportements liés à leur stabilité ou à leur vitesse de chute, par exemple.

L'approche, connue sous le nom de système d'expérimentation physique itératif (IPES), permet aux chercheurs de collecter rapidement de grands volumes de données et de les analyser automatiquement pour révéler des modèles dans la dynamique sous-jacente des formes de papier qui tombent. L'ensemble du processus prend en moyenne 90 secondes, avec des formes prenant entre une et cinq secondes pour tomber au sol. L'automatisation de ce processus fournit une méthode plus reproductible, approche de classification moins subjective, et les résultats ont montré qu'un schéma de classification non supervisé comme celui-ci peut différencier avec précision entre le mouvement chaotique et le mouvement culbutant dans les quatre formes.

Le dispositif expérimental consistait en un découpeur laser pour fabriquer des formes, un bras robotique Universal Robots UR5 équipé d'une ventouse personnalisée pour prélever et déposer les formes d'une hauteur de 1,1 mètre, horizontalement ou verticalement (choisi au hasard), et deux caméras à grande vitesse pour enregistrer le comportement de chute. Cela a permis de calculer les trajectoires de chute tridimensionnelles et l'oscillation correspondante. Les données ont ensuite été traitées et utilisées pour segmenter et classer automatiquement les comportements et examiner, par exemple, la relation entre la forme du papier, son comportement et sa vitesse de chute.

Toby Howison a déclaré :« Si nous devons concevoir des robots volants avec des mouvements compliqués tels que le vol plané ou le battement, cela nécessite une certaine expérimentation dans le monde réel. C'est là que les systèmes autonomes tels que IPES peuvent aider à éclairer non seulement notre compréhension de ces mouvements, mais aussi comment ils peuvent être reproduits dans la conception robotique.

"En recherchant les trajectoires de centaines de formes de papier en chute libre - un phénomène difficile de longue date - nous avons pu étudier, analyser et interpréter différents types de comportements de chute d'une nouvelle manière, grâce à la technologie robotique. Par conséquent, nous pouvons maintenant transférer notre apprentissage de ces comportements à la conception de robotiques douces qui marchent ou nagent, par exemple.

"Ce n'est qu'en comprenant des structures telles que les formes de papier en chute libre que nous pouvons en apprendre davantage sur la façon dont les différents composants de cette structure interagissent. Nos recherches montrent que l'interaction entre la forme du papier et son environnement fournit un style de chute fiable qui est créé sans aucun contrôle embarqué, tel que, une puce informatique ou un moteur."