Un equipo de estudiantes de la Universidad de Purdue estableció recientemente un nuevo récord mundial de Guinness con su robot personalizado que resolvió un cubo de Rubik en solo 0.103 segundos. Eso fue aproximadamente un tercio del tiempo que llevó el bot de registro anterior. Pero el nuevo disco no se logró simplemente construyendo un robot que se mueve más rápido. Los estudiantes utilizaron una combinación de sistemas de cámara de alta velocidad pero de baja resolución, un cubo personalizado para mejorar la fuerza y una técnica de resolución especial popular entre los cachorros de velocidad humana.
La carrera armamentista robot de resolución del cubo de Rubik comenzó en 2014, cuando un robot llamado Cubestormer 3 construido con partes de las tormentas mental de Lego y un Samsung Galaxy S4 resolvieron el rompecabezas icónico en 3.253 segundos, más rápido que cualquier humano o robot en ese momento. (El récord mundial actual para un humano que resuelve un cubo de Rubik pertenece a Xuanyi Geng, quien lo hizo en solo 3.05 segundos). En el transcurso de una década, los ingenieros lograron reducir ese récord a solo cientos de milisegundos.
En mayo pasado, los ingenieros de Mitsubishi Electric en Japón reclamaron el récord mundial con un robot que resolvió un cubo en 0.305 segundos. El récord fue casi un año antes del equipo de la Escuela de Familia de la Familia Elmore de Purdue de Ingeniería Eléctrica e Informática – Junpei Ota, Aden Hurd, Matthew Patrohay y Alex Berta – lo destrozó. Su robot se ha conocido como el cubo de Purdubik. Llevar el registro del robot a menos de medio segundo requirió alejarse de LEGO y, en cambio, usar componentes optimizados como los motores industriales. Sin embargo, obtener solo 0.103 segundos requirió que el equipo de Purdue encontrara múltiples formas nuevas de afeitarse milisegundos.
“Cada robot que han hecho los titulares de récords mundiales anteriores se ha centrado en una cosa nueva”, dice Patrohay. El borde. Cuando los estudiantes graduados del MIT rompieron el récord en 2018, optaron por el hardware industrial que superó a lo que los titulares de registros anteriores habían utilizado. Mitsubishi Electric eligió motores eléctricos que eran más adecuados para la tarea específica de girar cada lado del cubo, en lugar de solo hardware que se movía más rápido.
Sin embargo, lo primero que mejoraron los estudiantes de Purdue fue la velocidad que su robot podría visualizar el cubo revuelto. Los competidores de la cubierta de velocidad humana pueden estudiar un cubo de Rubik antes de que comience su temporizador, pero el registro del robot incluye el tiempo que lleva determinar la ubicación de todos los cuadrados de colores. Los estudiantes utilizaron un par de cámaras de visión búrase de alta velocidad de FLIR, con una resolución de solo 720×540 píxeles, apuntando a las esquinas opuestas del cubo. Cada cámara puede ver tres lados simultáneamente durante las exposiciones que duraron tan poco como 10 microsegundos.
Aunque puede parecer instantáneo, tarda tiempo en que una cámara procese los datos provenientes de un sensor y los convierta en una imagen digital. El cubo de Purdubik utiliza un sistema de detección de imágenes personalizado que omite el procesamiento de imágenes por completo. También solo se centra en un área muy pequeña de lo que ve el sensor de cada cámara, una región recortada que tiene solo 128×124 píxeles de tamaño, para reducir la cantidad de datos que se mueven.
Los datos sin procesar de los sensores se envían directamente a un sistema de detección de color de alta velocidad que utiliza las mediciones de RGB de áreas de muestra aún más pequeñas en cada cuadrado para determinar su color más rápido que otros enfoques, incluso la IA.
“A veces es un poco menos confiable”, admite Patrohay, “pero incluso si es 90 por ciento consistente, eso es lo suficientemente bueno siempre que sea rápido. Realmente queremos esa velocidad”.
A pesar de que gran parte del hardware en el robot de Purdue está hecho a medida, el equipo eligió ir con el software existente cuando se trataba de descubrir la forma más rápida de resolver un cubo revuelto. Utilizaron el Rob-Tophase de Elias Frantar, que es un algoritmo de resolución de cubos que tiene en cuenta las capacidades únicas de los robots, como poder girar dos lados de un cubo simultáneamente.
El equipo también aprovechó una técnica de resolución de cubos de Rubik llamada Corning Cutting, donde puede comenzar a girar un lado del cubo antes de que termine de girar otro lado que es perpendicular. La ventaja de esta técnica es que no estás esperando que un lado termine por completo su rotación antes de comenzar otra. Por un breve momento, hay una superposición entre los movimientos de los dos lados que pueden resultar en una cantidad significativa de tiempo ahorrado cuando persigue un récord mundial.
El desafío con el corte de esquina es que si usa demasiada fuerza (como un robot es capaz de) y no cronometra las cosas perfectamente, puede romper físicamente o incluso destruir por completo el cubo de Rubik. Además de perfeccionar el momento de los movimientos del robot y la aceleración de sus motores, los estudiantes tuvieron que personalizar el cubo en sí.
Guinness World Records sigue las pautas de la Asociación Mundial de Cubos, que tiene una larga lista de regulaciones que deben seguirse antes de reconocer un registro. Permite a los competidores modificar su cubo, siempre que se tuerce y se vuelva como un cubo de Rubik estándar y tiene nueve cuadrados de colores en cada uno de sus seis lados, con cada lado de un color diferente. Se pueden usar materiales distintos del plástico, pero todas las piezas de color necesitan tener la misma textura.
Para mejorar su durabilidad, el equipo de Purdue mejoró la estructura interna de sus cubos con una versión personalizada impresa en 3D hecha de plástico de nylon SLS más fuerte. La WCA también permite el uso de lubricantes para ayudar a que los cubos hagan girar más libremente, pero aquí se usa por una razón diferente.
“El cubo que usamos para el registro está tensado increíblemente apretado, como casi hilarantemente apretado”, dice Patrohay. “El que modificamos es muy difícil de girar. No es imposible, pero no puedes girarlo con los dedos. Tienes que realmente meter tu muñeca”. Al resolver el cubo a altas velocidades, el lubricante ayuda a suavizar sus movimientos, mientras que el aumento de la tensión reduce los volcados y mejora el control, por lo que se pueden usar trucos que ahorran tiempo como el corte de esquina.
Los servomotores más rápidos ayudan a reducir los tiempos de resolución, pero no es tan simple como maximizar su velocidad y esperar lo mejor. El cubo de Purdubik utiliza seis motores unidos a los ejes de metal que se colocan en el centro de cada lado del cubo. Después de probar varios enfoques diferentes, el equipo se estableció en un perfil de movimiento trapezoidal donde los servos se aceleran a velocidades de hasta 12,000,000 de grados/S2, pero desaceleran mucho más lento, más cerca de 3.000,000 de grados/S2, por lo que el robot puede posicionarse con mayor precisión a medida que se detiene.
¿Podría el cubo de Purdubik volver a romper el récord? Patrohay cree que es posible, pero necesitaría un cubo más fuerte hecho de algo más que plástico. “Si tuviera que hacer un cubo de Rubik, específico de la aplicación, con algún tipo de compuesto de fibra de carbono, entonces me imagino que puede sobrevivir a velocidades más altas, y solo poder sobrevivir a velocidades más altas le permitiría reducir el tiempo”.
