Como os estudantes universitários construíram o robô de solução de cubo mais rápido de Rubik até agora

Uma equipe de estudantes da Purdue University estabeleceu recentemente um recorde mundial do New Guinness com seu robô personalizado que resolveu um cubo de Rubik em apenas 0,103 segundos. Isso foi cerca de um terço do tempo que levou o bot recorde anterior. Mas o novo disco não foi alcançado simplesmente construindo um robô que se move mais rápido. Os alunos usaram uma combinação de sistemas de câmeras de alta velocidade, mas de baixa resolução, um cubo personalizado para melhorar a força e uma técnica de solução especial popular entre os cubers de velocidade humana.

A corrida armamentista de robôs de solução de cubos do Rubik começou em 2014, quando um robô chamado Cubestormer 3 construído com peças de tempestades de lego e um Samsung Galaxy S4 resolveu o quebra-cabeça icônico em 3,253 segundos-mais rápido do que qualquer humano ou robô na época. (O atual recorde mundial para uma solução humana de um cubo de Rubik pertence a Xuanyi Geng, que fez isso em apenas 3,05 segundos.) Ao longo de uma década, os engenheiros conseguiram reduzir esse registro para apenas centenas de milissegundos.

Em maio passado, os engenheiros da Mitsubishi Electric no Japão reivindicaram o recorde mundial com um robô que resolveu um cubo em 0,305 segundos. O recorde permaneceu por quase um ano antes da equipe da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação de Elmore de Purdue – Junpei Ota, Aden Hurd, Matthew Patrohay e Alex Berta – quebrou. O robô deles passou a ser conhecido como o cubo de Purdubik. Retornando o registro do robô para menos de meio segundo, se afasta de Lego e, em vez disso, usando componentes otimizados como motores industriais. Definir apenas 0,103 segundos, no entanto, exigiu que a equipe de Purdue encontrasse várias novas maneiras de raspar milissegundos.

“Cada robô que os recordistas anteriores do mundo fez meio que focou em uma coisa nova”, diz Patrohay A beira. Quando os estudantes do MIT quebraram o recorde em 2018, eles optaram por hardware industrial que superou o que os recordistas anteriores haviam usado. A Mitsubishi Electric escolheu motores elétricos mais adequados para a tarefa específica de girar cada lado do cubo, em vez de apenas hardware que se moveu mais rápido.

No entanto, a primeira coisa que os alunos de Purdue melhoraram foi a velocidade que seu robô poderia visualizar o cubo mexido. Os concorrentes de cubos de velocidade humana podem estudar um cubo de Rubik antes do início do cronômetro, mas o registro do robô inclui o tempo que leva para determinar a localização de todos os quadrados coloridos. Os alunos usaram um par de câmeras de visão de máquina de alta velocidade da FLIR, com uma resolução de apenas 720×540 pixels, apontando para os cantos opostos do cubo. Cada câmera pode ver três lados simultaneamente durante exposições que duraram apenas 10 microssegundos.

Embora possa parecer instantâneo, leva tempo para uma câmera processar os dados provenientes de um sensor e transformá -los em uma imagem digital. O cubo do Purdubik usa um sistema de detecção de imagem personalizado que ignora o processamento de imagens. Ele também se concentra apenas em uma área muito pequena do que o sensor de cada câmera vê – uma região cortada com apenas 128×124 pixels de tamanho – para reduzir a quantidade de dados que estão sendo movidos.

Os dados brutos dos sensores são enviados diretamente para um sistema de detecção de cores de alta velocidade que usa as medições de RGB de áreas de amostra ainda menores em cada quadrado para determinar sua cor mais rápida que outras abordagens-até a IA.

“Às vezes é um pouco menos confiável”, admite Patrohay, “mas mesmo que seja 90 % consistente, isso é bom o suficiente, desde que seja rápido. Nós realmente queremos essa velocidade”.

Apesar de muito do hardware do robô de Purdue ser feito sob medida, a equipe escolheu seguir o software existente quando se tratava de descobrir a maneira mais rápida de resolver um cubo mexido. Eles usaram o Rob-twofase de Elias Frantar, que é um algoritmo de solução de cubo que leva em consideração os recursos exclusivos dos robôs, como ser capaz de girar dois lados de um cubo simultaneamente.

A equipe também aproveitou a técnica de solução de cubo de Rubik, chamada Captain Cutting, onde você pode começar a virar um lado do cubo antes de terminar de virar outro lado que é perpendicular a ele. A vantagem dessa técnica é que você não está esperando que um lado termine completamente sua rotação antes de iniciar outra. Por um breve momento, há sobreposição entre os movimentos dos dois lados que podem resultar em uma quantidade significativa de tempo economizada quando você está perseguindo um recorde mundial.

O desafio com o corte de canto é que, se você usar muita força (como um robô é capaz) e não cime as coisas perfeitamente, você pode quebrar fisicamente ou até destruir completamente um cubo de Rubik. Além de aperfeiçoar o momento dos movimentos do robô e da aceleração de seus motores, os alunos tiveram que personalizar o próprio cubo.

O Guinness World Records segue as diretrizes da World Cube Association, que possui uma longa lista de regulamentos que precisam ser seguidos antes que um registro seja reconhecido. Ele permite que os concorrentes modifiquem seu cubo, desde que torça e gire como um cubo de Rubik padrão e tenha nove quadrados coloridos em cada um de seus seis lados, com cada lado uma cor diferente. Outros materiais que não o plástico podem ser usados, mas todas as partes coloridas precisam ter a mesma textura.

Para melhorar sua durabilidade, a equipe de Purdue atualizou a estrutura interna de seus cubos com uma versão impressa em 3D personalizada feita de plástico de nylon SLS mais forte. A WCA também permite que o uso de lubrificantes ajude a fazer cubos girarem mais livremente, mas aqui é usado por um motivo diferente.

“O cubo que usamos para o registro é tensionado incrivelmente apertado, como quase hilariante”, diz Patrohay. “O que modificamos é muito difícil de girar. Não é impossível, mas você não pode virar com os dedos. Você precisa realmente colocar seu pulso nele.” Ao resolver o cubo em altas velocidades, o lubrificante ajuda a suavizar seus movimentos, enquanto o aumento da tensão reduz a tomada e melhora o controle para que truques que economizem tempo, como o corte de canto, possam ser usados.

O Servo Motors mais rápido ajuda a reduzir os tempos de resolução, mas não é tão simples quanto maximizar sua velocidade e esperar o melhor. O cubo de Purdubik usa seis motores presos a eixos de metal que se acumulam no centro de cada lado do cubo. Depois de testar várias abordagens diferentes, a equipe estabeleceu um perfil de movimento trapezoidal, onde os servos aceleram a velocidades de até 12.000.000 graus/S2, mas desaceleram muito mais lento, mais próximo de 3.000.000 de graus/S2, para que o robô possa posicionar com mais precisão cada lado, como se trata de uma parada.

O cubo do Purdubik poderia quebrar o recorde novamente? Patrohay acredita que é possível, mas precisaria de um cubo mais forte feito de algo diferente de plástico. “Se você fizesse um cubo de Rubik completamente específico para aplicação, com algum tipo de composto de fibra de carbono, eu poderia imaginar que você pudesse sobreviver em velocidades mais altas e apenas poder sobreviver em velocidades mais altas permitiria que você reduza o tempo”.