Der Form eine Funktion verleihen

Gängige Spielzeuge wie lenkbare Autos oder Aufziehfiguren sind als 3D-druckfähige Modelle verfügbar, die sämtliche mechanischen Komponenten enthalten. Diese Strukturen sind aber meist genau auf eine bestimmte Form des Spielzeugs angepasst. Wollen Designer den Mechanismus in Kombination mit anderen Formen wiederverwenden, werden händische Anpassungen der individuellen Komponenten nötig. Diese sind nicht nur extrem mühsam auszuführen, sie sind oft für Laien nicht zu bewältigen. Wissenschaftler vom Institute of Science and Technology Austria (IST Austria) und ihre Kollegen von Adobe Research haben dieses Problem nun durch ein computergestütztes, interaktives Design-Tool gelöst, das es dem Nutzer ermöglicht, eine mechanische Vorlage unkompliziert an eine Form ihrer Wahl anzupassen. Die Software, die in Zukunft verfügbar gemacht werden soll, wird heuer von Erstautor und PhD-Studenten Ran Zhang aus der Forschungsgruppe von Bernd Bickel auf der prestigeträchtigen SIGGRAPH Konferenz vorgestellt.

„Denkt man an ein Modellauto, dann gibt es üblicherweise einen bestimmten Typ von Mechanismus, der für die Funktionalität sorgt; gleichzeitig gibt es aber tausende verschiedene Formen, die so ein Auto haben kann“, erklärt Koautor Thomas Auzinger. „Unser Code schließt nun diese Lücke und ermöglicht es, einen Mechanismus quer durch alle Formen wieder zu verwenden. Das bringt Flexibilität“, fügt er hinzu.

Menschen und Computer haben sehr unterschiedliche Kompetenzen. Menschen haben ein Auge für die Ästhetik, Computer auf der anderen Seite eignen sich gut dafür, mathematische Vorgaben exakt zu berücksichtigen und die Funktionalität einer großen Zahl von Einzelteilen wie Achsen, Rädern oder Getrieben zu optimieren. In dem neuen Zugang, den die Forscher gewählt haben, arbeiten der Anwender und die Software daher interaktiv zusammen. „Unser Tool sorgt dafür, dass die Funktionalität immer gegeben ist, während der Designer oder die Designerin den Mechanismus an ein Modell ihrer Wahl anpassen“, erklärt Erstautor Ran Zhang.

Drei Künstler aus Österreich haben das Programm bereits getestet. Die professionellen 3D-Modellierer kamen ans IST Austria nach Klosterneuburg, wo sie mechanische Strukturen ihrer Wahl importierten und an von ihnen selbst entworfene 3D-Formen anpassten, ohne sich dabei über mechanische Probleme Gedanken machen zu müssen. Normalerweise wären zahlreiche manuelle Bearbeitungen der Einzelkomponenten in der mechanischen Struktur notwendig gewesen – eine Aufgabe, die nicht nur extrem zeitraubend sondern oft nahezu unmöglich für Laien ist. Mit dem neu entwickelten Tool erfolgt die Anpassung dagegen mit einfachen Mausklicks und geschehen in Echtzeit. „Sogar ungeübte Nutzer werden in der Lage sein, ein funktionierendes Modell in der Form ihrer Wahl herzustellen“, sagt Ran Zhang.

Die Anwendbarkeit der Software wurde anhand verschiedener mechanischer Vorlagen demonstriert: eine winkende Aufziehfigur, periodische Bewegungen eines Hand-Modells, lenkbare ferngesteuerte Autos mit Motoren, sowie Maschinen mit beweglichen Rotoren wie Hubschrauber und Flugzeuge. Jedes dieser Modelle kann angepasst werden, um eine Vielfalt an verschiedensten Figuren und Fahrzeugen herzustellen. „Obwohl unser Ergebnis bereits anwendungsnah ist, handelt es sich dennoch um ein Grundlagenforschungsprojekt“, stellt Thomas Auzinger fest. „Wir haben einen neuen Zugang zur Modellierung genommen, der auf mathematischer Optimierung beruht, und haben seine Durchführbarkeit gezeigt. Es war eine Machbarkeitsstudie.“

Professor Bernd Bickel, der zuvor bei Disney Research in Zürich und an der Technischen Universität Berlin gearbeitet hat, kam 2015 an das IST Austria. Er leitet eine Forschungsgruppe zum Thema Computergraphik und digitale Fabrikation. Ran Zhang, Erstautor der Studie, studierte an der University of Science and Technology of China und ist PhD-Student in Bernd Bickels Gruppe. Thomas Auzinger erhielt sein Doktorat von der TU Wien und ist Postdoc am IST Austria. Duygu Ceylan erhielt ihr Doktorat von der EPFL in der Schweiz und ist nun wissenschaftliche Mitarbeiterin bei Adobe Research. Koautor Wilmot Li schloss sein Doktorat an der University of Washington ab und ist leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter bei Adobe Research. 

Die Studie in einem Video erklärt:
https://www.youtube.com/watch?v=hwLNbFNI1uk
Weitere Informationen über das Projekt (Englisch):
http://visualcomputing.ist.ac.at/publications/2017/MechRet/