Im Inneren des weltweit schnellsten Rubik's Cube-Löserroboters.

Der Roboter hält den Weltrekord für den schnellsten Rubik's Cube-Löser und bewältigt ihn in 0,103 Sekunden. Dabei kommen Techniken und Verbesserungen zum Einsatz, die sich völlig von denen früherer Konkurrenten unterscheiden.

Die von einer Gruppe Studenten entwickelte Rubik's Cube-Lösungsmaschine hat einen Weltrekord aufgestellt. Foto: Zur Verfügung gestellt vom Team .

Eine Gruppe von Studenten der Purdue University hat kürzlich mit einem selbst entwickelten Roboter einen neuen Guinness-Weltrekord aufgestellt. Der Roboter löste einen Zauberwürfel in nur 0,103 Sekunden. Das ist dreimal schneller als der vorherige Rekord, der von einem anderen Roboter aufgestellt wurde.

Hinter dem Rekord steckte kein schnellerer Roboter. Das Studententeam kombinierte ein Hochgeschwindigkeits-Kamerasystem mit niedriger Auflösung, einen speziell angefertigten Zauberwürfel für erhöhte Haltbarkeit und eine besondere Lösungstechnik, die bei Schnelllösern des Zauberwürfels beliebt ist.

Wesentliche Unterscheidungsmerkmale im Vergleich zu Wettbewerbern.

Der Wettlauf um den Bau von Zauberwürfel-lösenden Robotern begann 2014, als ein aus einem Lego Mindstorms-Bausatz und einem Samsung Galaxy S4-Smartphone gebauter Roboter den Zauberwürfel in nur 3,253 Sekunden löste. Im Mai 2024 stellten Ingenieure von Mitsubishi Electric in Japan mit einem Roboter, der den Zauberwürfel in 0,305 Sekunden löste, den Weltrekord auf.

Um die Lösungszeit des Zauberwürfels durch den Roboter auf unter eine halbe Sekunde zu reduzieren, verzichtete das Team auf Lego-Bauteile und verwendete stattdessen optimierte Komponenten wie Industriemotoren. Um die Marke von 0,103 Sekunden zu erreichen, verfeinerte das Team der Purdue University die Geschwindigkeit, mit der ihr Roboter die Anordnung der Zauberwürfel „erkennen“ konnte.

Die Rubik's Cube-Löser können den Würfel vor dem Start der Zeitmessung beobachten. Die Zeitmessung berücksichtigt jedoch auch die Zeit, die der Roboter benötigt, um die Position jedes farbigen Quadrats auf den Flächen zu ermitteln.

Die Studentengruppe nutzte zwei Hochgeschwindigkeits-Bildverarbeitungskameras von Flir mit einer Auflösung von nur 720x540 Pixeln, die an gegenüberliegenden Ecken des Zauberwürfels platziert waren. Jede Kamera konnte gleichzeitig drei Seiten des Würfels in einer einzigen Aufnahme von nur 10 Mikrosekunden erfassen.

Die extrem schnelle Farberkennungstechnologie des Roboters. Foto: Vom Autor zur Verfügung gestellt.

Herkömmliche Kameras benötigen nach wie vor Zeit, um die Sensordaten zu verarbeiten und in ein digitales Bild umzuwandeln. Der von der Studentengruppe entwickelte Roboter „Cube“ der Purdubik University hingegen nutzt ein eigens entwickeltes Bilderkennungssystem, das diesen Verarbeitungsschritt vollständig umgeht.

Dieses System konzentriert sich auf einen sehr kleinen Bereich (128 x 124 Pixel) innerhalb des Bildausschnitts jeder Kamera und reduziert so die zu verarbeitende Datenmenge. Die Rohdaten der Sensoren werden direkt an ein Hochgeschwindigkeits-Farberkennungssystem gesendet, das RGB-Werte selbst kleinster Bereiche nutzt, um Farben schneller als herkömmliche und KI-gestützte Verfahren zu bestimmen.

Obwohl diese Methode weniger zuverlässig ist, kann sie sicherstellen, dass die Hauptanforderung der Gruppe erfüllt wird. „Selbst wenn die Genauigkeit nur 90 % beträgt, ist das immer noch gut genug. Was wir wirklich brauchen, ist Geschwindigkeit“, erklärte Patrohay, ein Student der Gruppe.

Optimieren Sie das gesamte System.

Patrohay argumentiert, dass jeder bisherige Rekordroboter typischerweise nur eine herausragende Eigenschaft verbesserte. Der Roboter des MIT-Studententeams (2018) konzentrierte sich auf den Einsatz leistungsstarker Industriehardware. Das Team von Mitsubishi Electric wählte spezielle Elektromotoren, die für die Drehung jeder einzelnen Seite des Zauberwürfels optimiert waren.

Das Team der Purdue University entschied sich hingegen für frei verfügbare Software, um das gesamte System zu optimieren – von der Kamera und Bildverarbeitung bis hin zur Hardware und den Lösungsalgorithmen. Sie nutzten Elias Frantars Rob-Twophase, einen speziell für Roboter entwickelten Rubik's Cube-Lösungsalgorithmus, der es ihnen ermöglichte, besondere Fähigkeiten wie das gleichzeitige Drehen beider Seiten des Rubik's Cube zu nutzen.

Die Gruppe nutzte außerdem eine Technik, die es ihnen ermöglicht, eine Seite des Zauberwürfels zu drehen, bevor sie die Drehung der dazu senkrechten anderen Seite abgeschlossen hatten. Diese Methode spart zwar viel Zeit, birgt aber das Risiko, den Zauberwürfel zu beschädigen oder gar zu zerbrechen, wenn das Timing nicht stimmt oder zu viel Kraft angewendet wird. Daher mussten die Schüler den Zauberwürfel weiter modifizieren, damit er der Kraft standhält und sich mit dieser Technik reibungslos bedienen lässt.

Laut den Regeln der World Rubik's Cube Association (WCA) dürfen Teilnehmer ihren Zauberwürfel individuell gestalten, solange er sich wie ein Standardwürfel drehen und funktionieren kann, mit neun farbigen Quadraten auf jeder Seite und sechs Seiten mit sechs verschiedenen Farben. Spieler dürfen auch andere Materialien als Kunststoff verwenden, die farbigen Bereiche müssen jedoch die gleiche Oberflächenstruktur aufweisen.

Sechs solcher Motoren werden an den verbleibenden Seiten angebracht und sollen den Zauberwürfel drehen. Foto: Vom Autor zur Verfügung gestellt.

Um die Haltbarkeit zu erhöhen, verbesserte das Team der Purdue University die interne Struktur des Zauberwürfels durch eine speziell angefertigte, 3D-gedruckte Version aus robusterem SLS-Nylonharz. Verbesserte Schmierung und Spannung tragen gleichzeitig dazu bei, ein Überdrehen zu reduzieren und die Kontrolle zu optimieren.

Purdubiks Würfel verwendet sechs Motoren, die an Metallwellen befestigt sind, welche sich in der Mitte jeder Seite des Zauberwürfels befinden. Nach Experimenten mit verschiedenen Methoden entschied sich das Team für ein trapezförmiges Bewegungssystem, damit der Roboter jede Seite beim Anhalten präzise ausrichten kann.

Patrohay glaubt, Purdubik könnte seinen eigenen Rekord brechen, wenn der Zauberwürfel haltbarer wäre und aus einem anderen Material als Plastik bestünde. „Wenn man einen speziellen Zauberwürfel komplett aus Kohlefaserverbundwerkstoff herstellen würde, hielte er meiner Meinung nach höheren Geschwindigkeiten stand. Dadurch ließe sich die Zeit weiter verkürzen“, sagte er.

Quelle: https://znews.vn/ben-trong-robot-giai-rubik-nhanh-nhat-the-gioi-post1557575.html