Por dentro do robô que resolve cubos mágicos mais rápido do mundo

O robô detém o recorde mundial de resolução mais rápida do cubo mágico em 0,103 segundos, com técnicas e melhorias completamente diferentes em comparação aos concorrentes anteriores.

A máquina de resolver cubos mágicos que quebrou o recorde mundial , feita por um grupo de estudantes. Foto: NVCC .

Um grupo de estudantes da Universidade Purdue estabeleceu recentemente um novo recorde mundial do Guinness com um robô que eles mesmos projetaram, resolvendo um cubo mágico em apenas 0,103 segundos. Isso é três vezes mais rápido do que o recorde anterior estabelecido por outro robô.

O recorde não foi alcançado por um robô mais rápido. Os alunos combinaram um sistema de câmera de alta velocidade, mas de baixa resolução, um cubo mágico personalizado para durabilidade e uma técnica de resolução especial, popular entre profissionais que resolvem problemas rapidamente.

Principais diferenças em relação aos concorrentes

A corrida para construir um robô capaz de resolver o Cubo Mágico começou em 2014, quando um robô construído a partir de um kit Lego Mindstorms e usando um celular Samsung Galaxy S4 resolveu o cubo em apenas 3,253 segundos. Em maio de 2024, engenheiros da Mitsubishi Electric no Japão afirmaram deter o recorde mundial com um robô resolvendo o cubo em 0,305 segundos.

Para reduzir o tempo do robô para menos de meio segundo, a equipe abandonou os componentes de Lego e, em vez disso, utilizou peças otimizadas, como motores industriais. Mas, para atingir a marca de 0,103 segundo, a equipe da Purdue ajustou a velocidade com que seu robô conseguia "ver" o embaralhamento do Cubo Mágico.

O solucionador de velocidade pode observar o cubo antes do cronômetro iniciar. No entanto, o cronômetro também levará em consideração o tempo que o robô leva para identificar onde cada quadrado colorido está nas faces.

Os alunos utilizaram duas câmeras de visão computacional Flir de alta velocidade, com resolução de apenas 720x540 pixels, posicionadas em dois cantos opostos do cubo. Cada câmera consegue observar simultaneamente três faces do cubo em uma única tomada, com duração de apenas 10 microssegundos.

Tecnologia de reconhecimento de cores extremamente rápida do robô. Foto: NVCC.

Câmeras convencionais ainda precisam de tempo para processar os dados do sensor e transformá-los em uma imagem digital. No entanto, o Cubo de Purdubik, como o robô dos alunos é chamado, usa um sistema de reconhecimento de imagem personalizado que ignora completamente a etapa de processamento de imagem.

O sistema se concentra em uma área muito pequena (128x124 pixels) no quadro capturado por cada câmera, reduzindo a quantidade de dados que precisam ser processados. Os dados brutos do sensor são enviados diretamente para um sistema de detecção de cores de alta velocidade que utiliza valores RGB de áreas de amostra ainda menores para determinar a cor mais rapidamente do que os métodos convencionais e a IA.

Este método, embora menos estável, poderia atender ao principal requisito da equipe. "Mesmo que a precisão fosse de apenas 90%, já seria suficiente. O que realmente precisávamos era de velocidade", disse Patrohay, um aluno do grupo.

Otimize todo o sistema

Patrohay disse que cada robô recordista anterior geralmente melhorava em um elemento importante. O robô da equipe de estudantes do MIT (2018) se concentrou no uso de hardware industrial de alto desempenho. A equipe da Mitsubishi Electric escolheu um motor elétrico especializado, projetado para otimizar a rotação de cada face do cubo mágico.

Enquanto isso, a equipe da Purdue escolheu um software pronto para uso para otimizar todo o sistema, desde a câmera, o processamento de imagens, o hardware e o algoritmo de resolução. Eles usaram o Rob-Twophase de Elias Frantar, um algoritmo de resolução de Cubo Mágico específico para robôs, permitindo que eles aproveitassem recursos especiais, como girar duas faces do cubo mágico ao mesmo tempo.

A equipe também utilizou uma técnica que lhes permitiu começar a girar um lado do cubo antes de completar a rotação do outro lado perpendicularmente a ele. Esse método economiza muito tempo, mas também corre o risco de danificar ou até mesmo quebrar o cubo se o tempo estiver incorreto ou se for aplicada muita força. Portanto, os alunos também tiveram que personalizar o cubo para suportar a força e operar suavemente com essa técnica.

De acordo com as regras da World Rubik's Association (WCA), os participantes podem personalizar seu próprio Cubo Mágico, desde que ele ainda possa girar e funcionar como um cubo padrão, com 9 quadrados coloridos em cada face e 6 faces com 6 cores diferentes. Os jogadores podem usar outros materiais além do plástico, mas as partes coloridas devem ter a mesma textura superficial.

Seis motores como este serão acoplados aos lados restantes, encarregados de girar o cubo mágico. Foto: NVCC.

Para aumentar a durabilidade, a equipe da Purdue atualizou a estrutura interna do cubo com uma versão personalizada impressa em 3D, feita de uma resina de náilon SLS mais resistente. A lubrificação e o aumento da tensão também ajudam a reduzir o overshoot e melhorar o controle.

O Cubo de Purdubik utiliza seis motores acoplados a um eixo metálico centralizado em cada face do cubo. Após testar diversos métodos, a equipe decidiu por um sistema de movimento trapezoidal que permite ao robô alinhar precisamente cada face ao parar.

Patrohay acredita que Purdubik poderia ter quebrado seu próprio recorde se o cubo tivesse sido feito de um material mais durável que não o plástico. "Se tivéssemos feito um cubo dedicado inteiramente de composto de fibra de carbono, acho que ele teria sido capaz de suportar velocidades mais altas. Poderíamos ter continuado a reduzir o tempo", disse ele.

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