NeoPhysIx：一個超快速的 3D 物理模擬器，作為 AI 演算法的開發工具

Kernkonzepte

NeoPhysIx 是一款專為 AI 演算法開發而設計的 3D 物理模擬器，透過簡化物理計算和採用創新模擬範例，實現了比即時模擬快 1000 倍以上的驚人速度，為機器人學習、演化、規劃和控制器測試等領域的研究提供了新的可能性。

Zusammenfassung

NeoPhysIx：一個超快速的 3D 物理模擬器，作為 AI 演算法的開發工具

導言

傳統的 AI 演算法，例如基因演算法和強化學習，通常需要大量的計算資源來有效地模擬現實世界的物理場景。雖然多核心處理技術已經取得了進展，但剛體動力學並行化的固有局限性導致了顯著的通信開銷，阻礙了簡單模擬的性能提升。

NeoPhysIx 的誕生

為了克服這些挑戰，本文介紹了一款名為 NeoPhysIx 的新型 3D 物理模擬器。通過採用創新的模擬範例並專注於基本的演算法元素，NeoPhysIx 實現了比即時模擬快 1000 倍以上的驚人速度。這種加速是通過策略性簡化實現的，包括點雲碰撞檢測、關節角度確定和摩擦力估計。

NeoPhysIx 的應用

NeoPhysIx 的功效通過其在訓練一個具有 18 個自由度和六個傳感器的腿式機器人中的應用得到了證明，該機器人由一個進化基因程序控制。值得注意的是，在標準中端 CPU 的單核上僅用 9 小時即可模擬機器人半年的壽命，這突出了 NeoPhysIx 提供的顯著效率提升。這一突破為物理領域的加速 AI 開發和訓練鋪平了道路。

NeoPhysIx 的工作原理

NeoPhysIx 採用了以下關鍵方法來實現逼真的行為和最小的計算量：

• **點雲碰撞：**機器人模型由一組質點組成，這些質點共同代表機器人的結構。碰撞檢測採用簡化方法，僅考慮機器人質點與代表環境的預定義高度圖之間的交互作用。
• **關節角度確定：**NeoPhysIx 將機器人視為單個剛體，直接計算不同機器人區段之間的相對運動，繞過基於力的計算。關節角度計算通常分佈在多個時間步長上，以優化性能。
• **摩擦力估計：**NeoPhysIx 將摩擦建模為最大靜摩擦，並將摩擦計算公式化為一個優化問題。該算法在每個時間步長最小化接觸點在時間 t 和時間 t + 1 之間的距離，允許機器人進行平移和旋轉。

NeoPhysIx 的應用程序接口 (API)

NeoPhysIx 經過精心設計，提供了一個全面且用戶友好的應用程序接口 (API)，簡化了機器人模擬的過程。API 優先考慮直觀的設計原則，使研究人員和開發人員能夠有效地構建和操作虛擬機器人系統。

基因編程機器人控制器的演化

為了評估 NeoPhysIx 的功能和穩定性，我們應用了一個使用基因編程 (GP) 的優化場景。GP 的任務是進化一個緊湊的機器語言程序來控制一個六足步行機器人。指導這種進化的適應度函數很簡單：“盡可能走得更遠。”

結果

本節介紹了我們對機器人壽命進行的廣泛評估的結果，涵蓋了大約六個月的模擬運行時間。在整個實驗過程中，模擬表現出顯著的穩定性，始終如一地為機器人代理產生有效的控制器。

結論

本文提出了一種名為 NeoPhysIx 的新型物理模擬器，它結合了簡化但穩健的模擬原理。NeoPhysIx 的架構以及用於點雲碰撞檢測、關節角度確定和摩擦力估計等關鍵功能的方法已在前面幾節中進行了詳細描述。

未來的工作

雖然 NeoPhysIx 展現出巨大的潛力，但仍有幾個方面需要改進和擴展。一個重點領域是改進當前的摩擦模型，以提高其準確性和真實性。此外，結合模擬機器人-機器人碰撞的功能將顯著擴大應用範圍。

附錄

為了讓您了解 API 提供哪些命令來構建機器人，我們在此提供一個簡短的概述。

總之，NeoPhysIx 的成功實現為物理模擬建立了一個新的範例，為推進機器人學習、進化、規劃和控制器測試等領域的研究提供了一個獨特的平台。

Statistiken

NeoPhysIx 實現了比即時模擬快 1000 倍以上的驚人速度。
在標準中端 CPU 的單核上僅用 9 小時即可模擬機器人半年的壽命。
該機器人具有 18 個自由度和六個集成传感器。
模擬超過了半年的機器人壽命，並測試了超過 100,000 個不同的控制器程序。

Zitate

Wichtige Erkenntnisse aus

NeoPhysIx: An Ultra Fast 3D Physical Simulator as Development Tool for AI Algorithms

by Jörn... um arxiv.org 11-12-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05799.pdf

Tiefere Fragen

NeoPhysIx 如何與其他機器人模擬器（如 Gazebo、PyBullet）進行比較，特別是在準確性、速度和功能方面？

NeoPhysIx、Gazebo 和 PyBullet 都是機器人模擬器，但它們在設計目標和性能特點上有所不同，導致在準確性、速度和功能方面存在差異：
速度： NeoPhysIx 的主要優勢在於其無與倫比的速度，它比實時模擬快 1000 倍以上。這種速度源於其簡化的物理引擎、點雲碰撞檢測和摩擦力估算等獨特方法。相比之下，Gazebo 和 PyBullet 旨在實現準確的物理模擬，這通常需要更長的時間。雖然它們可以實現比實時更快的模擬速度，但無法與 NeoPhysIx 的速度相提並論。
準確性： Gazebo 和 PyBullet 在物理準確性方面表現出色，它們使用精確的剛體動力學、碰撞檢測和摩擦力模型。NeoPhysIx 為了速度而犧牲了一些準確性，例如，它使用簡化的碰撞檢測和摩擦力模型，這可能會影響模擬的真實性，尤其是在需要高保真度物理交互的場景中。
功能： Gazebo 和 PyBullet 提供廣泛的功能，包括對各種機器人、感測器、致動器和環境的支持。它們還提供先進的渲染引擎、物理引擎和機器人控制接口。NeoPhysIx 則側重於提供一個快速且穩定的模擬環境，用於測試控制算法，因此在功能方面可能不如 Gazebo 和 PyBullet 全面。
總結： NeoPhysIx 適用於需要超快模擬速度的應用，例如遺傳算法和強化學習，其中需要對控制器進行大量評估。Gazebo 和 PyBullet 則更適合需要高保真度物理模擬和廣泛功能的應用，例如機器人設計、運動規劃和感測器模擬。

雖然簡化可以提高速度，但它如何在準確性和真實性方面影響模擬？是否存在 NeoPhysIx 不適合的特定機器人任務或環境？

NeoPhysIx 採用簡化策略來提升速度，但這些簡化不可避免地影響了模擬的準確性和真實性：

點雲碰撞檢測： 相較於基於網格的碰撞檢測，點雲方法速度更快，但精度較低。它可能無法檢測到細微的碰撞，或在涉及複雜形狀的環境中表現不佳。
關節角度計算： NeoPhysIx 假設電機可以立即達到目標角度，忽略了電機動力學。這在低速運動中影響不大，但在高速運動或需要精確控制電機扭矩的任務中會產生誤差。
摩擦力估算： 簡化的摩擦力模型可能無法準確地模擬複雜的接觸情況，例如多點接觸或涉及滑動摩擦的場景。
因此，NeoPhysIx 不適合以下機器人任務或環境：

需要高精度物理模擬的任務： 例如，涉及精密組裝、接觸力控制或柔性物體的操作。
具有複雜幾何形狀的環境： 點雲碰撞檢測在處理複雜形狀時可能遇到困難，例如狹窄的通道或包含許多小物件的環境。
需要精確模擬電機動力學的任務： 例如，高速運動控制、力控或需要考慮電機慣性和摩擦力的應用。
總之，NeoPhysIx 的簡化設計使其在速度上表現出色，但犧牲了部分準確性和真實性。在選擇 NeoPhysIx 時，需要權衡速度和準確性的需求，並根據具體的機器人任務和環境進行評估。

NeoPhysIx 的發展如何促進機器人技術以外的領域的進步，例如生物力學模擬、人群模擬或材料科學？

儘管 NeoPhysIx 主要為機器人應用而設計，但其超快模擬能力在其他領域也具有潛在價值：
生物力學模擬： NeoPhysIx 可以用於模擬人體運動、肌肉骨骼系統和醫療設備。例如，它可以用於分析步態、預測手術結果或設計假肢。其速度優勢在需要大量模擬的應用中尤為突出，例如優化假肢設計或研究不同步態模式。
人群模擬： NeoPhysIx 可以用於模擬人群行為，例如疏散演練、交通規劃或大型集會的人群控制。其快速計算能力可以模擬大規模人群，並評估不同場景下的疏散策略。
材料科學： NeoPhysIx 可以用於模擬材料在不同條件下的行為，例如應力、應變和斷裂。例如，它可以用於優化材料設計、預測材料失效或模擬製造過程。其速度優勢在需要大量模擬的應用中尤為突出，例如設計新型複合材料或模擬材料在微觀尺度上的行為。
其他潛在應用：

模擬顆粒系統： 例如，沙子、穀物或粉末的流動。
模擬流體動力學： 例如，血液流動或空氣動力學。
模擬分子動力學： 例如，蛋白質摺疊或藥物設計。
總之，NeoPhysIx 的超快模擬能力為機器人技術以外的領域提供了新的可能性。通過調整其功能和與其他模擬工具集成，NeoPhysIx 有望在生物力學、人群模擬、材料科學等領域取得突破性進展。