世界最速のルービックキューブを解くロボットの内部

学生グループが作ったルービックキューブを解く世界記録マシン。写真： NVCC 。

パデュー大学の学生グループが先日、自ら設計したロボットでルービックキューブをわずか0.103秒で解き、ギネス世界記録を更新しました。これは、以前別のロボットが記録した記録の3倍の速さです。

この記録は、より速く動くロボットによって達成されたわけではありません。学生たちは、高速だが解像度の低いカメラシステム、耐久性を重視してカスタマイズされたルービックキューブ、そしてスピードパズルのプロの間で人気の特殊な解法を組み合わせました。

競合他社との主な違い

ルービックキューブ・ロボットレースは2014年に始まり、レゴ・マインドストームのキットで組み立てられ、Samsung Galaxy S4を搭載したロボットがわずか3.253秒でルービックキューブを解きました。2024年5月、日本の三菱電機のエンジニアたちは、ロボットが0.305秒でルービックキューブを解き、世界記録を樹立したと主張しました。

ロボットの解答時間を0.5秒未満に短縮するため、チームはレゴの部品を捨て、産業用モーターなどの最適化された部品に置き換えました。しかし、0.103秒というタイムに到達するために、パデュー大学のチームはロボットがルービックキューブのシャッフルを「見る」速度を微調整しました。

スピードソルバーはタイマーが開始する前に立方体を観察できます。ただし、タイマーはロボットが各色の正方形が面上のどこにあるかを特定するのにかかる時間も考慮します。

学生たちは、解像度わずか720×540ピクセルの高速フリアーマシンビジョンカメラ2台を立方体の対角に設置しました。各カメラは、わずか10マイクロ秒の1回の撮影で立方体の3面を同時に観察できました。

ロボットの超高速色認識技術。写真： NVCC。

従来のカメラでは、センサーからのデータを処理してデジタル画像に変換するのに時間がかかります。しかし、学生たちが開発した「キューブ」と呼ばれるロボットは、画像処理のステップを完全に省略する独自の画像認識システムを採用しています。

このシステムは、各カメラで撮影したフレーム内の非常に小さな領域（128×124ピクセル）に焦点を絞ることで、処理に必要なデータ量を削減します。センサーから取り込まれた生データは、高速色検出システムに直接送られ、さらに小さなサンプル領域のRGB値を用いて、従来の手法やAIよりも高速に色を判定します。

この方法は不安定ではあるものの、チームの要件を満たすことはできる。「たとえ精度が90%であっても、それでも十分です。本当に必要なのはスピードです」と、チームの学生であるパトロハイ氏は語った。

システム全体を最適化

パトロヘイ氏によると、これまでの記録破りのロボットは、通常、1つの顕著な要素を改良してきたという。MITの学生チームのロボット（2018年）は、高性能な産業用ハードウェアの採用に注力した。三菱電機のチームは、ルービックキューブの各面の回転を最適化するように設計された特殊な電動モーターを採用した。

一方、パデュー大学のチームは、カメラ、画像処理、ハードウェア、そして解法アルゴリズムに至るまで、システム全体を最適化するために市販のソフトウェアを選択しました。彼らは、ロボット専用のルービックキューブ解法アルゴリズムであるElias FrantarのRob-Twophaseを採用し、2つのルービックキューブ面を同時に回転させるなどの特殊機能を活用できるようにしました。

チームはまた、キューブの片面を回転させてから、その面と直交するもう片面を回転させることで、回転を完了させるという技術も活用しました。この方法は時間を大幅に節約できますが、タイミングがずれたり、過度の力を加えたりすると、キューブが損傷したり、場合によっては破損したりするリスクがあります。そのため、学生たちはキューブをカスタマイズし、この技術で力に耐え、スムーズに操作できるようにしました。

世界ルービック協会（WCA）のルールによると、参加者は、各面に9色の正方形があり、6面に6色の異なる色を配した、標準的なキューブとして回転し機能する限り、自分だけのルービックキューブをカスタマイズできます。プラスチック以外の素材も使用できますが、着色部分の表面の質感は同じである必要があります。