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Maschine löst Zauberwürfel

Automat ordnet Rubik's Cube selbstständig und im Optimalfall unter einer Sekunde

Zauberwürfel
Diese Maschine löst den Zauberwürfel selbstständig und im Optimalfall in unter einer Sekunde. © Fachhochschule Bielefeld

Kultiges Projekt: Ein Team von Mechatronik-Studenten hat eine Zauberwürfel-Lösemaschine konstruiert. Das System aus Schienen, Motoren und Kameras erkennt die Ausgangsposition der Felder selbständig und setzt dann einen Lösungsalgorithmus in blitzschnelle Drehbewegungen um. Der Automat löst dadurch jede Konfiguration in zehn bis 35 Bewegungen und im Idealfall in weniger als einer Sekunde.

Der 1974 von dem ungarischen Architekten Erno Rubik erfundene Zauberwürfel war in den 1980er Jahren Kult, fasziniert aber bis heute. Im Prinzip geht es darum, die 26 willkürlich durcheinandergemischten Farbflächen des Würfels durch Rotation so zu ordnen, dass sich ein Würfel mit einfarbigen Seiten ergibt. In speziellen Wettbewerben versuchen Enthusiasten, sich beim immer schnelleren Lösen des Rubik’s Cube zu überbieten. Computerprogramme schaffen dies mittlerweile in weniger als einer Sekunde.

Vom Algorithmus zum gelösten Würfel

Eine Maschine, die die Schnelligkeit dieser Softwarelösungen mit dem ganz praktischen Ordnen des Würfels verbindet, haben nun Mechatronik-Studierende der der Fachhochschule (FH) Bielefeld entwickelt und konstruiert. Kern ihres „Zauberwürfel-Automaten“ ist ein System aus Schienen, die in den Zauberwürfel hineinfahren und diesen so fixieren, dass weitere Module die Drehungen übernehmen können. „Auf den Linearschienen sind die Motoren angebracht, die in den Würfel hineingefahren werden und diesen damit einspannen“, erläutert Tom Töws.

Sechs von neun Schrittmotoren drehen dann die einzelnen Seiten des Zauberwürfels, die restlichen drei Motoren werden für die Linearschienen benötigt. Ein Industrie-PC mit Klemmen ist für die Steuerung zuständig. Ein Einplatinencomputer Raspberry-Pi übernimmt die Lichtsteuerung. Dann gibt es noch eine Kamera, LED-Ringe, ein Netzteil sowie unzählige mechanische Komponenten. All dies ermöglicht es dem Automaten, den Würfel völlig eigenständig zu lösen.

Lösung in maximal 35 Zügen

Das „Gehirn“ der Zauberwürfel-Lösemaschine nutzt dafür einen der bereits existierenden Lösungs-Algorithmen und übersetzt diesen dann auf Basis der Kameraaufnahmen in die einzelnen Bewegungen. „Weil es eine große Community rund um den Rubik’s Cube gibt, konnten wir glücklicherweise auf einen implementierten Algorithmus zur Lösung des Würfels zurückgreifen“, erklärt Jan Ewerszumrode. Er sorgt dafür, dass die Maschine je nach Ausgangslage nur zehn bis 35 Drehungen benötigt, um den Würfel zu lösen – im optimalen Fall dauert das weniger als eine Sekunde.

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„Bei der restlichen Software haben wir aber sehr viel selbst entwickelt, unter anderem die Benutzerschnittstelle, die Bildverarbeitung zur Erfassung des Zustandes und die Motoransteuerung zur Einspannung sowie Verdrehung des Würfels“, so Ewerszumrode. Das 2019 begonnen Projekt war im Januar 2020 fertig und sollte sogar auf dem Rubik’s-Stand einer großen Spielwarenmesse vorgestellt werden. Dann allerdings kam die Corona-Pandemie dazwischen. Jetzt steht der Automat im Hochschulgebäude in Gütersloh.

Der Zauberwürfel-Automat im Einsatz.© Fachhochschule Bielefeld

Quelle: Fachhochschule Bielefeld

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