Студенти з США встановили рекорд швидкості розв'язання кубика Рубіка

Четверо студентів Університету Пердью з факультету електротехніки та комп'ютерної інженерії створили робота, який встановив новий світовий рекорд швидкості розв'язання кубика Рубіка. Їхній винахід під назвою Purdubik's Cube розв'язує головоломку всього за 0,103 секунди, що майже втричі швидше за попередній рекорд, встановлений компанією Mitsubishi Electric з Японії.

«Ми розв'язуємо за 103 мілісекунди», — розповідає член команди Метью Патрохей. «Людське моргання триває близько 200−300 мілісекунд. Тож перш ніж ви навіть усвідомите, що він рухається, ми вже розв'язали головоломку».

Команда студентів — Метью Патрохей, Джунпей Ота, Аден Херд та Алекс Берта — підійшла до завдання нестандартно. Замість того щоб зосереджуватися на апаратному забезпеченні, як це робили попередні рекордсмени, вони вирішили проблему, яку часто ігнорували — систему зору робота.

Роботи повинні спочатку побачити кубик, перш ніж почати його обертати. На відміну від людей-спідкуберів, які можуть вивчати головоломку перед запуском таймера, роботи починають відлік часу з моменту, коли головоломка потрапляє в поле зору.

Замість використання зображень високої роздільності студенти застосували датчики низької роздільності з високою швидкістю — машинні камери Flir з експозицією всього десять мікросекунд. Кожна камера захоплювала лише достатню частину поверхні кубика для ефективної роботи, зберігаючи при цьому мінімальні вимоги до обробки. Розмір зображення становив лише 128 на 124 пікселі без покращення зображення чи повнокадрового сканування.

Команда навіть повністю відмовилася від обробки зображень. Замість цього вони зчитували необроблені RGB-значення безпосередньо з датчиків, подаючи дані в спеціально створену систему виявлення кольорів. Навіть штучний інтелект виявився недостатньо швидким для їхніх потреб.

«Іноді це трохи менш надійно», — визнає Патрохей. «Але навіть якщо це працює на 90 відсотків послідовно, цього достатньо, поки це швидко. Нам справді потрібна ця швидкість».

Після ідентифікації кольорів робот повинен був знати, що робити. Тут команда звернулася до існуючого алгоритму розв'язання кубика, створеного для машин — Rob-Twophase, розробленого Еліасом Франтаром. На відміну від людей, роботи можуть виконувати дії, як-от одночасне обертання двох перпендикулярних сторін — перевагу, якої люди не мають.

Однак швидкість має свою ціну. Одна з ризикованих технік, яку використовувала команда, називається «зрізання кутів» — початок обертання однієї сторони кубика до того, як інша повністю зупинилася. При правильному виконанні це економить дорогоцінні мілісекунди, при неправильному — руйнує кубики.

Тому студентам довелося створити кубик, достатньо міцний, щоб витримати їхню машину. Вони налаштували внутрішню структуру, використовуючи нейлон, надрукований методом SLS — пластик, достатньо міцний, щоб витримати жорстокі сили. Кубик був змащений для протидії екстремальному натягу. Насправді він був настільки тугим, що його неможливо було повернути руками.

«Кубик, який ми використовуємо для рекорду, натягнутий неймовірно туго, майже до смішного», — розповів Патрохей виданню The Verge. «Треба справді напружити зап'ястя, щоб його повернути».

Кожна грань контролювалася серводвигуном, з'єднаним з металевим валом, встановленим у центрі кубика. Робот рухався точно, використовуючи трапецієподібний профіль руху, що означало швидке прискорення до високої швидкості з подальшим повільним сповільненням для точного позиціонування.

Прискорення становить вражаючі 12 мільйонів градусів на секунду в квадраті. Це достатньо швидко, щоб розірвати пластик, якщо не бути обережним.

Команда вперше представила Purdubik's Cube на дизайнерському конкурсі SPARK Університету Пердью, де він здобув перше місце. Але вони на цьому не зупинилися. Після заходу вони продовжили вдосконалювати систему, використовуючи досвід програми кооперативної освіти Пердью та підтримку Інституту контролю, оптимізації та мереж університету.

Вони використовували власні кошти та заробітки від кооперативної програми для створення робота. Вони шукали корпоративних спонсорів та працювали допізна.

«Ще в старшій школі я бачив відео студентів MIT, які розв'язували кубик за 380 мілісекунд», — розповідає Патрохей. «Я подумав: „Це справді крутий проект. Я б хотів спробувати колись його перевершити“. Тепер я тут, у Пердью, доводжу, що ми можемо рухатися ще швидше».

Їхнє творіння є інтерактивним досвідом. Використовуючи «розумний кубик» з підтримкою Bluetooth, користувачі можуть перемішувати головоломку в реальному часі. Робот повторює кожен рух. Коли користувач зупиняється, кубик миттєво повертається до досконалості.

«Це досягнення — не просто про побиття рекорду», — каже Нак-сеунг Патрік Хьюн, доцент кафедри електротехніки та комп'ютерної інженерії. «Воно розширює межі того, що можуть робити штучні системи. Це наближає нас до розуміння надшвидких координованих систем управління, подібних до тих, що зустрічаються в природі».

Чи може команда рухатися ще швидше? Так, але не з пластиком. «Якби ви зробили повністю спеціалізований кубик Рубіка з якогось композиту вуглецевого волокна», — каже Патрохей, «тоді я міг би уявити, що ви зможете витримати вищі швидкості… і можливість витримувати вищі швидкості дозволила б вам скоротити час».

Наразі команда пишається тим, що вони зробили. Як висловився Мілінд Кулкарні, керівник школи електротехніки та комп'ютерної інженерії Пердью: «Візьміть блискучих студентів, дайте їм інструменти та можливості, і вони вас вразять. Четверо студентів-бакалаврів ECE менш ніж за рік розбили рекорд, встановлений командою світового класу в Mitsubishi. Я завжди кажу, що у нас найкращі студенти ECE в країні — і це це доводить».