Humans manipulate various kinds of fluids in their everyday life: creating latte art, scooping floating objects from water, rolling an ice cream cone, etc. Using robots to augment or replace human labors in these daily settings remain as a challenging task due to the multifaceted complexities of fluids. Previous research in robotic fluid manipulation mostly consider fluids governed by an ideal, Newtonian model in simple task settings (e.g., pouring). However, the vast majority of real-world fluid systems manifest their complexities in terms of the fluid's complex material behaviors and multi-component interactions, both of which were well beyond the scope of the current literature. To evaluate robot learning algorithms on understanding and interacting with such complex fluid systems, a comprehensive virtual platform with versatile simulation capabilities and well-established tasks is needed. In this work, we introduce FluidLab, a simulation environment with a diverse set of manipulation tasks involving complex fluid dynamics. These tasks address interactions between solid and fluid as well as among multiple fluids. At the heart of our platform is a fully differentiable physics simulator, FluidEngine, providing GPU-accelerated simulations and gradient calculations for various material types and their couplings. We identify several challenges for fluid manipulation learning by evaluating a set of reinforcement learning and trajectory optimization methods on our platform. To address these challenges, we propose several domain-specific optimization schemes coupled with differentiable physics, which are empirically shown to be effective in tackling optimization problems featured by fluid system's non-convex and non-smooth properties. Furthermore, we demonstrate reasonable sim-to-real transfer by deploying optimized trajectories in real-world settings.


翻译:人类在日常生活中操纵各种流体:创造拿铁艺术,从水中抓取漂浮物体,滚动冰淇淋锥等。 使用机器人来增加或取代这些日常环境中的人类劳动,由于液体的多方面复杂性,仍是一项具有挑战性的任务。 以往对机器人流体操纵的研究大多考虑到由理想的牛顿式的流体在简单任务设置(如倒水)中管理的各种流体。 然而,绝大多数现实世界流体系统在流体的复杂物质行为和多构件互动方面显示出其复杂性,两者都远远超出了当前文献的范围。 使用机器人来评估关于理解和与这些复杂的流体系统互动的计算算法, 需要有一个具备多种多功能模拟能力和既定任务的综合虚拟平台。 在这项工作中,我们引入了一种包含复杂流体动态动态的模拟环境。 这些任务涉及固体和流体之间的相互作用,以及多种流体的流体互动。 在我们平台的核心是一个完全不同的物理模拟、流体、流体、非流体、 提供GPU- 流体模拟和精度的流体模型的变化模型化模型化模型, 展示了各种变现模型的模型, 以模拟和变压式的模型的模型的模型的模型化方法来显示我们各种变现的变现的变现的变现的变现的变现的变现的变压式的变现的变现的变压方法。</s>

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