可变形物体

可变形物体是在仿真中形状会发生变化的资产。与刚体不同，它没有刚性的根坐标系；其状态由仿真网格中每个节点的位置和速度组成。

Isaac Lab 按仿真几何体的维度，将可变形物体分为三类：

属性	体积	表面	线缆
模拟对象	软质实体：橡胶块、泰迪熊、器官	布料、薄片、膜	绳索、软管、电线、线束
仿真几何体	四面体网格（ UsdGeom.TetMesh ）	三角网格（ UsdGeom.Mesh ）	开放曲线（ UsdGeom.BasisCurves ），以胶囊体线段模拟
资产类	DeformableObject	DeformableObject	CableObject
运行时状态	节点位置和速度	节点位置和速度	各线段的位姿和速度

体积和表面可变形物体使用同一资产类和编写方式，区别仅在于所分配的物理材质。线缆使用独立的资产类，具有自己的生成器、材质和状态布局，详见 线缆 。

流体和颗粒介质等基于粒子的材料不属于这里所说的可变形物体。它们使用独立的资产和求解器；参见 隐式 MPM 。

备注

这三类物体都仍在持续开发。在 Newton 上，可变形物体与刚体物体和关节体一起实现在 isaaclab_newton.assets 中。线缆支持尤其处于实验阶段，其生成器配置、资产类和材质默认值仍可能变化。

后端支持情况

类型	PhysX	Newton	OvPhysX
体积	Yes	支持，仅限 VBD 求解器	实验性，仅限 CUDA 设备
表面	Yes	支持，仅限 VBD 求解器	实验性，仅限 CUDA 设备
线缆	No	支持，仅限 VBD 求解器	No

在 Newton 上，各类可变形物体都由 VBD 求解器模拟，因此包含它们的场景必须选择使用 VBD 求解器的物理配置。求解器参数、在同一场景中运行刚性机器人与可变形物体的方法，以及调参流程，见 VBD 求解器 和 耦合求解器 。

OvPhysX 的可变形体还存在节点数量和启动开销方面的限制，详见 OvPhysX 后端 。

体积和表面可变形物体

编写资产

可变形物体使用网格生成器，并增加两个字段：

• deformable_props ：后端特有的 *DeformableBodyPropertiesCfg 。设置此字段才会将网格变为可变形物体。

• physics_material ：可变形材质配置，其类型决定使用体积还是表面模型。

将生成器放入 DeformableObjectCfg ，即可创建运行时资产。

import isaaclab.sim as sim_utils
from isaaclab.assets import DeformableObjectCfg
from isaaclab_physx.sim.schemas import PhysxDeformableBodyPropertiesCfg
from isaaclab_physx.sim.spawners.materials import PhysxDeformableBodyMaterialCfg

cfg = DeformableObjectCfg(
    prim_path="/World/env_.*/Cube",
    spawn=sim_utils.MeshCuboidCfg(
        size=(0.2, 0.2, 0.2),
        deformable_props=PhysxDeformableBodyPropertiesCfg(),
        physics_material=PhysxDeformableBodyMaterialCfg(
            youngs_modulus=1.0e5, poissons_ratio=0.4, density=1000.0
        ),
    ),
)

在 Newton 上，同一物体需要替换这两个后端配置：

import isaaclab.sim as sim_utils
from isaaclab.assets import DeformableObjectCfg
from isaaclab_newton.sim.schemas import NewtonDeformableBodyPropertiesCfg
from isaaclab_newton.sim.spawners.materials import NewtonDeformableBodyMaterialCfg

cfg = DeformableObjectCfg(
    prim_path="/World/env_.*/Cube",
    spawn=sim_utils.MeshCuboidCfg(
        size=(0.2, 0.2, 0.2),
        deformable_props=NewtonDeformableBodyPropertiesCfg(),
        physics_material=NewtonDeformableBodyMaterialCfg(
            k_mu=3.5714e4, k_lambda=1.4286e5, density=1000.0
        ),
    ),
)

这两个后端采用不同的弹性参数：PhysX 使用 youngs_modulus 和 poissons_ratio ，Newton 使用拉梅参数 k_mu 和 k_lambda 。上述值表示同一种材料，通过 k_mu = E / (2 * (1 + nu)) 和 k_lambda = E * nu / ((1 + nu) * (1 - 2 * nu)) 转换。

表面可变形物体采用同样的方式编写，但使用二维网格生成器和表面材质：

from isaaclab_newton.sim.spawners.materials import NewtonSurfaceDeformableBodyMaterialCfg

cloth = DeformableObjectCfg(
    prim_path="{ENV_REGEX_NS}/Cloth",
    spawn=sim_utils.MeshRectangleCfg(
        size=(0.2, 0.2),
        edge_refinement=8,
        deformable_props=NewtonDeformableBodyPropertiesCfg(),
        visual_material=sim_utils.PreviewSurfaceCfg(diffuse_color=(0.95, 0.85, 0.1)),
        physics_material=NewtonSurfaceDeformableBodyMaterialCfg(
            density=1.0, particle_radius=0.002, tri_ke=5e2, tri_ka=5e2, edge_ke=0.5
        ),
    ),
    init_state=DeformableObjectCfg.InitialStateCfg(pos=(0.4, 0.0, 0.1)),
)

上述材质值来自 Isaac-Lift-Cloth-Franka 调整后的配置，而非默认值。各参数的作用和默认值见 VBD 求解器 ，其中也介绍了布料自接触。自接触默认关闭，因此启用前布料可以穿过自身。

edge_refinement 设置这两类物体的仿真分辨率：最大表面边长为包围盒对角线长度除以该值，体积可变形物体也将其作为四面体划分的目标。默认值为 4.0 ，且必须至少为 1.0 。接近 1.0 的值会显著减慢四面体划分。

网格生成器会拒绝无法工作的组合： deformable_props 与 rigid_props 或 mass_props 同时设置，或配合非可变形材质的 physics_material ，都会在生成时抛出 ValueError 。

从 USD 加载

可变形物体也可以来自预先编写的资产。将 deformable_props 和 physics_material 传给 UsdFileCfg ；生成器会在加载的 prim 上应用可变形模式，如果 prim 已有该模式，则原地修改。

cfg_usd = sim_utils.UsdFileCfg(
    usd_path=f"{ISAACLAB_NUCLEUS_DIR}/Objects/Teddy_Bear/teddy_bear.usd",
    deformable_props=PhysxDeformableBodyPropertiesCfg(),
    physics_material=PhysxDeformableBodyMaterialCfg(),
    scale=[0.05, 0.05, 0.05],
)

体积还是表面

没有显式的类型字段，也没有独立的布料资产类。编写时，类型由材质配置决定：继承自 SurfaceDeformableBodyMaterialBaseCfg 的材质产生表面可变形物体，其他材质产生体积可变形物体。这决定写入的 USD 内容：体积模型使用 UsdGeom.TetMesh 仿真网格，表面模型使用可视网格的三角 UsdGeom.Mesh 副本。

初始化时，资产从舞台重新判断类型。PhysX 和 OvPhysX 读取绑定物理材质上应用的模式；无法确定时，再根据网格拓扑判断。Newton 只使用拓扑，将 prim 下的 UsdGeom.TetMesh 视为体积，将普通 UsdGeom.Mesh 视为表面。

因此，材质配置决定实际模型：将体积材质与布料形状的网格搭配，会生成经四面体划分的实体，而不是薄片。

四面体划分

体积可变形物体需要四面体仿真网格。如果生成的 prim 尚未包含 UsdGeom.TetMesh ，Isaac Lab 会生成一个；各后端都需要可选的 tetrahedralization 依赖：

uv sync --inexact --extra tetrahedralization

# With the legacy installer.
./isaaclab.sh -i tetrahedralization

表面可变形物体无需该依赖；从 USD 加载、且可变形 prim 下已包含预先划分的 UsdGeom.TetMesh 的体积物体也不需要。

运行时状态

可变形物体的状态定义在节点上，以仿真世界坐标系表示。下文的 N 为 max_sim_vertices_per_body 。

• data.nodal_pos_w 和 data.nodal_vel_w ：形状为 (num_instances, N) ，元素类型为 vec3f ，分别表示位置 [m] 和速度 [m/s]。

• data.nodal_state_w ：相同数据，形状为 (num_instances, N) ，元素类型为 vec6f 。

• data.default_nodal_state_w ：生成时的状态，用于重置。

• data.root_pos_w 和 data.root_vel_w ：形状为 (num_instances,) 。它们是 派生量，由仿真节点的平均值计算得到。不存在根方向。

通过带索引的设置方法写回状态。 transform_nodal_pos() 相对于当前节点均值应用位姿偏移，从而将生成状态缓冲区分配到各环境原点。

nodal_state = cube.data.default_nodal_state_w.torch[env_ids].clone()
nodal_state[..., :3] = cube.transform_nodal_pos(nodal_state[..., :3], pos, quat)
cube.write_nodal_state_to_sim_index(nodal_state, env_ids=env_ids)
cube.reset(env_ids=env_ids)

与其他资产一样， DeformableObject 可与 InteractiveScene 、 scene.get_state / scene.reset_to 和 reset_scene_to_default 事件项集成。

备注

不带后缀的写入方法（ write_nodal_state_to_sim 等）已弃用，应使用 _to_sim_index 和 _to_sim_mask 变体。掩码变体支持 CUDA 图捕获。

线缆

线缆是一维杆：单个开放的 UsdGeom.BasisCurves prim，带有 PhysicsCurvesDeformableSimAPI 模式，以一串通过线缆关节连接的胶囊体线段进行模拟。

编写线缆

线缆由 CableCfg 和 CableMaterialCfg 配置。 positions 中相邻的点构成线段，每段生成直径为 thickness 的胶囊体，并通过线缆关节与相邻线段连接。 N 个控制点产生 N-1 个线段刚体和 N-2 个关节；根线段自由悬浮。

参数	描述
positions	线缆局部坐标系中的控制点 [m]。至少需要 三个 坐标值有限的点，且相邻点间距必须大于 1e-8 m。
physics_material	必需的 CableMaterialCfg ；见 线缆材质参数 。厚度也会写入曲线的 widths 属性，使可视半径与物理半径一致。
collision_props	可选的碰撞属性。省略时，线缆不发生碰撞；设置后（通常为 [UsdPhysicsCollisionCfg(collision_enabled=True)] ），线缆会与地面和其他线缆碰撞。见 线缆碰撞 。
visual_material	可选的 VisualMaterialCfg ，用于设置曲线外观。
visual_material_path	可视材质在线缆几何 prim 下的子路径，默认为 "material" 。
physics_material_path	物理材质在线缆几何 prim 下的子路径，默认为 "physics_material" 。

import isaaclab.sim as sim_utils
from isaaclab.assets import CableObject, CableObjectCfg

cable = CableObject(
    cfg=CableObjectCfg(
        prim_path="/World/Env_0/Cable",
        spawn=sim_utils.CableCfg(
            positions=[(index * 0.1, 0.0, 0.0) for index in range(10)],
            visual_material=sim_utils.PreviewSurfaceCfg(diffuse_color=(0.7, 0.2, 0.2)),
            physics_material=sim_utils.CableMaterialCfg(
                thickness=0.03,
                density=1000.0,
                stretch_stiffness=1.0e9,
                bend_stiffness=1.0e6,
            ),
            collision_props=[sim_utils.UsdPhysicsCollisionCfg(collision_enabled=True)],
        ),
        init_state=CableObjectCfg.InitialStateCfg(pos=(0.0, 0.0, 0.5)),
    )
)

这会沿线缆局部 x 轴生成一条 0.9 m 长的红色直线缆：9 个胶囊体线段（每段长 0.1 m，直径 0.03 m），通过 8 个线缆关节连接。继承的 init_state 设置线缆根节点在各环境中的初始位姿。

线缆材质参数

CableMaterialCfg 定义线缆的几何和刚度。编写时会验证所有值；非有限值或超出范围的值会在创建任何 prim 前抛出 ValueError 。

刚度字段是弹性模量，不是关节刚度。每个杆关节都有自己的离散化刚度，使用该关节的对偶静止长度 L = 0.5 * (L_parent + L_child) 计算，其中 L_parent 和 L_child 是它连接的两个线段的静止长度。

参数	描述
thickness	线缆完整厚度（直径）[m]，必须有限且为正。以 radius = thickness / 2 用于胶囊体截面、弯曲截面二次矩和碰撞半径。默认 0.001 。
density	线缆密度 [kg/m^3]，必须有限且为正。各线段质量由密度和胶囊体体积计算得到。默认 1000.0 。
stretch_stiffness	轴向（拉伸）弹性模量 E [Pa]，必须有限且非负。转换为各关节的轴向刚度 E * A / L ，其中 A 是圆形截面积。值越高，伸长越小。默认 1.0e9 。
bend_stiffness	弯曲弹性模量 E [Pa]，必须有限且非负。转换为各关节的弯曲刚度 E * I / L ，其中 I 是圆形截面的二次矩。 0.0 表示柔软的绳索；增大该值可模拟较硬的软管或电线。默认 1.0e6 。
shear_stiffness	横向剪切弹性模量 [Pa]，必须有限且非负。可选：保留 None 时不写入该属性，求解器复用 stretch_stiffness 。默认 None 。
twist_stiffness	扭转弹性模量 [Pa]，必须有限且非负。可选：保留 None 时不写入该属性，求解器复用弯曲 结构 刚度。默认 None 。

备注

线缆关节具有四种自由度：线性的拉伸和剪切，以及角向的弯曲和扭转。未设置 shear_stiffness 或 twist_stiffness 并不 表示线缆没有剪切或扭转阻力，而是由求解器回退到拉伸和弯曲值。显式设置 0.0 与不设置不同：前者会去除该阻力。

这两种回退并不对称。剪切复用拉伸模量，作用于同一截面积；扭转复用弯曲 结构 刚度 E * I / L ，而显式设置的 twist_stiffness 作用于极惯性矩 J = 2 * I 。因此，设置 twist_stiffness = bend_stiffness 会得到回退刚度的两倍，而不是相同值。

未提供阻尼配置。杆关节具有阻尼，但 Isaac Lab 编写的 USD 曲线材质模式中没有对应属性。

如果需要指定轴向 E * A 或弯曲 E * I ，可反解这些关系来确定模量； examples/cables.py 演示了如何根据目标刚度和线段几何计算。

线缆碰撞

碰撞需通过 collision_props 显式启用。启用后，导入器采用 仅过滤相邻线段 的规则：直接连接的线段共享关节锚点，不过滤会产生抖动，因此将其过滤；其他所有线段对都发生碰撞。由此：

• 线缆会与地面和其他线缆碰撞。

• 同一 线缆的不相邻线段会碰撞，因此线缆回绕自身时可以通过自接触阻止继续运动。

省略 collision_props 时，线缆作为仅参与动力学的杆导入，不发生碰撞。

线缆运行时状态

CableObject 提供各线段的世界状态，并与 InteractiveScene 、 scene.get_state / scene.reset_to 和 reset_scene_to_default 事件项集成。

• cable.data.segment_pose_w ：形状为 (num_instances, num_segments) ，元素类型为 wp.transformf ，位置 [m] 在前，四元数 (x, y, z, w) 在后。Torch 视图最后一维的长度为 7。

• cable.data.segment_velocity_w ：形状为 (num_instances, num_segments) ，元素类型为 wp.spatial_vectorf ，线速度 [m/s] 在前，角速度 [rad/s] 在后。Torch 视图最后一维的长度为 6。

• cable.data.default_segment_pose_w 和 default_segment_velocity_w ：生成时的状态。

通过索引或掩码设置方法写回各线段状态；掩码形式支持 CUDA 图捕获。

cable.write_segment_pose_to_sim_index(segment_pose=cable.data.default_segment_pose_w)
cable.write_segment_velocity_to_sim_index(segment_velocity=cable.data.default_segment_velocity_w)

写入会直接更新两个仿真状态中的最大坐标刚体状态，并将受影响的环境标记为需要重置求解器。

从 USD 加载线缆

物理属性直接写在曲线上： spawn_cable() 应用 PhysicsCurvesDeformableSimAPI 模式并绑定可变形曲线材质，曲线随后以原生方式导入。拓扑来自曲线自身的 points 和 curveVertexCounts ，无需自定义边属性。

因此，也可以通过 UsdFileCfg 从外部 USD 加载线缆，例如在 DCC 工具中编写的资产，前提是曲线已经具备：

• 加载的 prim 下有单个开放、线性、非周期的 UsdGeom.BasisCurves ；

• 已应用 PhysicsCurvesDeformableSimAPI 模式；以及

• 已绑定可变形曲线材质（ PhysicsCurvesDeformableMaterialAPI ），在 physics: 命名空间中提供 thickness 、 density 、 stretchStiffness 和 bendStiffness 。

这对应两种失败情况。没有仿真模式的曲线不属于可变形物体导入范围，会被静默跳过。具有该模式但无法解析厚度的曲线会使用默认半径导入，并发出警告。请通过 spawn_cable() 编写线缆，或在构造前将模式和材质应用到导入的 prim 上。

线缆渲染

线缆在 Kit 视口中以 UsdGeom.BasisCurves 渲染。每次渲染更新时，根据线缆各线段端点刷新曲线点，使渲染形状始终与仿真一致。

备注

曲线点通过 CPU Fabric 同步，因为 RTX Hydra 委托不会读取 BasisCurves 的 GPU Fabric 数组（NVBug 6502662）。同步时会跳过周期曲线。

线缆限制

• 每个对象只能包含一条独立、未与其他线缆焊接的线缆。 CableObject 要求 prim_path 下恰好有一个带 PhysicsCurvesDeformableSimAPI 的 BasisCurves prim，其中包含一条未与其他线缆焊接的开放曲线。多曲线 BasisCurves prim、周期（闭合）曲线，以及曲线之间硬性重合的 PhysicsAttachment 焊接，都会在初始化时失败。

• 线缆端点可以铰接固定，不能夹紧固支。 连接到 xform 目标的 PhysicsAttachment 会转换为球关节，因此只约束位置，线缆可以在锚点处自由转动。无法表示需要传递方向约束的刚性插头和端部接头。

• 没有阻尼调节参数。 提供了四种刚度模量，但没有对应的阻尼参数。

• 渲染同步仅使用 CPU （NVBug 6502662）；周期曲线不会同步。

备注

只有附件刚度未设置或为无穷大时，才会创建附件关节。有限刚度仅保留为元数据，不创建关节。这两种情况均以导入警告而非错误报告，因此线缆仍会正常初始化，即使附件实际缺失。如果附件似乎不起作用，请检查导入器输出。

备注

运行时对象拒绝的拓扑仍会参与仿真：物理模型从整个 USD 舞台构建，因此每条带 PhysicsCurvesDeformableSimAPI 的曲线都会导入，无论是否由 CableObject 包装。可通过 NewtonManager 的 get_model() / get_state_0() 和自行创建的 newton.selection.ArticulationView 控制它们。这些情况没有对应的 Isaac Lab 资产包装器。

材质参数的实际效果

下方每个动画都将同一场景运行三次，只改变一个材质参数，其余保持不变。标签给出各次运行使用的值。

体积

杨氏模量 ：控制整体刚度。设为 1e3 Pa 时，球体撞击后压成扁饼；设为 1e5 Pa 时，几乎不变形。软体过软或过硬时，应首先调整此参数。

泊松比 ：控制材料受压时保持体积的程度。设为 0.10 时，球体压扁但不向四周展开；设为 0.49 时，材料近乎不可压缩，同样的压缩会使其向外明显鼓起。

粒子半径 ：各仿真节点周围的接触厚度，并非材质属性。半径越大，越早在远离表面的位置检测到接触，因此球体会明显浮在桌面上方，也无法压得很薄。半径过小可能漏检接触或检测过晚；相对网格分辨率过大，则会过早产生接触。

表面

拉伸刚度 ：抵抗面内伸长的能力。较低值使布料在自重下拉伸和下垂，较高值则使其保持接近静止长度。

弯曲刚度 ：抵抗折叠的能力。设为 1e-2 时，布料揉皱成松散的一堆；设为 1e0 时，会保持较大、较硬的褶皱，并继续垂覆在滚筒上。这类似丝绸与帆布的区别。

线缆

弯曲刚度 ：设为 1e0 时，线缆像松绳一样在支撑点之间下垂；设为 1e2 时，则像较硬的软管一样保持平直。

扭转刚度 ：在锚点处扭转带配重的线缆。设为 1e-1 时，扭转在局部被吸收，线缆仍直垂；设为 1e1 时，扭转沿杆传递，直到发生屈曲并卷成螺旋。如果线缆需要抵抗缠绕，应显式设置该值；未设置时会按前述规则回退到弯曲值。

示例与任务

先运行示例，确认生成器、求解器和可视化器都能在当前环境中正常工作。

类型	示例	任务
体积	deformables	Isaac-Lift-Soft-Franka, Isaac-Lift-Soft-Franka-Camera
表面	deformables	Isaac-Lift-Cloth-Franka, Isaac-Lift-Cloth-Franka-Camera
线缆	cables	Isaac-Lift-Cable-Franka, Isaac-Lift-Cable-Franka-Camera

# Volume and surface deformables falling onto a ground plane.
uv run --extra tetrahedralization isaaclab example deformables

# A pile of cables that collide and settle. Newton VBD only.
uv run isaaclab example cables

# A larger cable pile, without a visualizer, stopping after a fixed number of steps.
uv run isaaclab example cables --visualizer none --num_cables 40 --num_segments 15 --max_steps 500

scripts/environments/state_machine/lift_franka_soft.py 使用脚本状态机驱动 Isaac-Lift-Soft-Franka ，可作为可变形物体操作任务的起点。

相关内容

• 与可变形对象交互 逐步介绍体积可变形物体。

• VBD 求解器 介绍 VBD 求解器参数、Newton 材质表、布料自接触和调参流程。

• 耦合求解器 介绍如何在同一场景中运行刚性机器人与可变形物体。

• 可变形物体迁移 介绍 Isaac Lab 3.0 可变形物体 API 的变化。

• OvPhysX 后端 介绍了 OvPhysX 可变形体的限制。

• isaaclab.assets 和 isaaclab.sim.spawners 是本页使用的资产、生成器和材质类的 API 参考。