Genesis：生成式物理引擎，一句話生成完整精確的模擬物理世界

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24年12月19日
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Genesis是什么？

Genesis 是一款由國內外眾多高校（清華、北大、港大、CMU、馬里蘭、哥倫比亞、斯坦福、MIT等）和產業機構（英偉達、太極圖形以及MIT-IBM Watson AI Lab）聯合開發的生成式物理引擎，專為通用機器人/嵌入式 AI/物理 AI?應用程序而設計。結合 AI 與物理仿真技術，實現超高精度的動態模擬與多模態生成。它支持從剛體、液體到軟體機器人的物理仿真，并能通過自然語言生成交互式 3D 場景、機器人策略和面部動畫。相比現有解決方案，Genesis 提供 10-80 倍速度提升，兼具高效與精確。其開源生態為機器人研究、虛擬世界構建和物理 AI 應用帶來革命性突破，推動行業發展進入新階段。

Genesis的主要特性

通用物理引擎
- 多物理現象支持： 支持剛體（Rigid Body）、液體（Fluid）、氣體（Gas）、軟體（Soft Body）、薄殼（Thin-Shell）和顆粒材料（Granular Materials）等復雜物理現象的仿真。
- 模塊整合： 將多種物理求解器（MPM、SPH、FEM、PBD 等）整合到一個統一的框架中，支持多現象耦合仿真。
生成式數據引擎
- 多模態數據生成： 支持通過自然語言描述生成 3D 場景、視頻、機器人策略和表情動畫等多樣化數據。
- 自動化數據生成： 降低數據收集和生成的人工成本，加速機器人學習和任務開發。
高性能仿真
- 超快速度： 單個 RTX 4090 GPU 的仿真速度可達 4300 萬幀每秒（FPS），比實時快 430,000 倍。
- 跨平臺支持： 兼容 Linux、MacOS 和 Windows 等操作系統，支持 CPU、Nvidia GPU、AMD GPU 和 Apple Metal 等多種硬件。
光線追蹤與高保真渲染：內置光線追蹤引擎，支持高性能渲染，生成高保真視覺效果，用于動態場景展示和仿真結果可視化。
多機器人支持
- 支持多種機器人類型，包括機械臂（Robot Arm）、四足機器人（Legged Robot）、無人機（Drone）和軟體機器人（Soft Robot）。
- 提供豐富的文件格式兼容性（如 MJCF、URDF、OBJ、GLB、PLY、STL 等）。
可微分性（Differentiability）
- MPM 求解器和工具求解器支持可微分仿真（Differentiable Simulation），其他模塊的可微分功能將在未來更新中逐步加入。
用戶友好性
- 易用的 Python API： 提供直觀的接口設計，簡化仿真配置和任務開發流程。
- 快速安裝： 通過 PyPI 一鍵安裝（pip install genesis-world），搭配 PyTorch 使用。
觸覺傳感器仿真：包含基于物理的觸覺傳感器仿真模塊，支持可微分模擬，用于接觸豐富的機器人操作場景（將在未來版本中整合）。

Genesis 的應用場景

機器人研發與任務規劃
Genesis 為機器人研究人員提供了高質量的仿真環境，能夠生成豐富的任務場景和操作數據，優化機器人學習與行為策略。其 Sim2Real 功能支持從仿真環境遷移到現實操作，適用于機械臂、四足機器人和無人機的開發與部署，加速機器人在實際場景中的落地。
虛擬世界構建與動態場景模擬
Genesis 可用于創建高度真實的虛擬世界和動態場景，適配游戲開發、影視動畫和虛擬現實（VR/AR）等領域。例如，通過物理引擎模擬復雜的布料、液體和粒子效果，為用戶提供沉浸式體驗和精致的視覺表現。
科學研究與工程設計
在科研與工程領域，Genesis 可模擬復雜物理現象，如流體動力學、熱傳導和材料變形，為科學實驗和工程設計提供精確的仿真支持。其高效的仿真能力也適用于橋梁和建筑等結構測試，提升設計的可靠性與安全性。
數據生成與多模態學習
Genesis 支持生成高質量的多模態數據集，包括圖像、視頻和動作軌跡，用于訓練 AI 模型。開發者還可通過自然語言描述生成多模態學習場景，助力跨模態任務的研究與開發，提升 AI 的智能化水平。
醫療與生物仿真
Genesis 在醫療領域可用于手術模擬、醫療設備設計等，幫助醫生提升手術精確性和設備可靠性。同時，在生物學研究中，Genesis 可仿真細胞與分子運動、生物體力學行為，為生物科學研究提供直觀的工具支持。
人機交互與觸覺仿真
Genesis 能生成復雜的人機交互任務，并支持觸覺傳感器仿真，模擬真實接觸場景，為智能交互界面和力反饋系統提供創新支持。這種能力適用于開發虛擬訓練系統和先進的智能設備，優化用戶體驗。