# 独立液体实现对照（2026-10-06）

用户要求优先借鉴可靠实现，最终标准是贴近物理。以下库均作为需要实测的候选；有水体演示或较新版本不等于当前杯子尺度已校准。

| 实现 | 复用内容 | 当前用途与限制 |
|---|---|---|
| EmbodiedSWE / Newton implicit MPM | 原杯体几何、Newton 接触与状态记录；原实现的液体侧接触余量 | 继续保留机器人原型。原参数存在过强晃荡衰减和长期几何漂移；2 mm、零抗拉压力候选已有短时联合验收进展。 |
| SPlisHSPlasH 2.18.1 / DFSPH | 原生密度与散度求解、Akinci 边界粒子、Bender 体积图，以及移动边界 API | 已建独立单杯参考。严格记录原生质量、密度、粒子 ID 和初始化，不手工移动流体。体积图/边界采样及初始边界层需要独立核查。 |
| Genesis 1.4.3 / DFSPH | GPU SPH、原生刚体—流体接触 | 已建独立环境和单杯入口，用于检验专用液体求解器的速度与响应。API 文档与安装版本存在差异，按安装源码实现；尚不替代主框架。 |
| Isaac Sim 5.1 / PhysX PBD | 原生 GPU 流体与 USD 状态读取 | 短时体积可通过 rest-offset 数值标定接近目标，但小幅晃荡衰减仍不合格；保留为失败/限制对照。 |

## 为什么选择 DFSPH 作为参照

DFSPH 同时约束速度散度和密度，而不是仅指定一个很大的弹性模量。这直接对应目前需要检查的体积保持问题。SPlisHSPlasH 提供对应论文与复现场景，Genesis 提供 GPU 实现和多物理耦合；它们都需要在茶杯尺寸下验证，不能从算法名称直接推断通过。

参考入口：[SPlisHSPlasH 场景/API](https://splishsplash.readthedocs.io/en/latest/py_creating_scenes.html)、[上游移动边界示例](https://github.com/InteractiveComputerGraphics/SPlisHSPlasH/blob/master/pySPlisHSPlasH/examples/animated_body_2D.py)、[论文复现场景](https://github.com/InteractiveComputerGraphics/SPlisHSPlasH/blob/master/doc/replicability.md)、[Genesis SPH](https://genesis-world.readthedocs.io/en/v1.2.2/api_reference/engine/solvers/sph_solver.html)、[Genesis 耦合机制](https://genesis-world.readthedocs.io/en/latest/user_guide/theory/coupling/index.html)。

## 实现边界

- SPlisHSPlasH 原生 3D 粒子静态体积为 `0.8*(2r)^3`。入口用指定每粒子质量和 1000 kg/m³ 反解半径，核对总质量约 216.276 g；不修改密度掩盖体积差异。初始粒子通过 Partio GEO 文件加载，避免在原生求解器初始化后插入模型。
- 原生粒子缓冲可能包含发射器预留项。读取仅针对 `numActiveParticles()`，并关闭发射器预留和重复利用；这不会删除或忽略真实逃逸液滴。历史损失按原生粒子 ID 跟踪，兼容邻域搜索重排。
- 初始点云过于接近 SPH 边界会产生高密度瞬态。另设明确记录的、保持几何体积的初始点云变换以留出边界间隙，随后只由原生物理演化；不在过程中归位粒子或清除速度。初始放置变化是对照变量，不能混作完全相同初态的配对比较。
- SPlisHSPlasH 的 Standard viscosity 参数为运动黏度，参考取 `1e-6 m²/s`。Genesis 安装源码的黏性项同样含 `mu * (mass_j/rho_j) * velocity_gradient`，其 `mu` 不应直接照抄 Newton 的动态黏度 `0.001 Pa·s`。当前重力波参考关闭表面张力；液滴和润湿行为仍需额外标定，不能将软件的任意系数自动当作 N/m。
- 参考夹具允许规定容器位置和速度，用于隔离流体误差；正常机械臂任务仍要求自由杯子、真实接触及双向载荷反馈。

## 环境隔离和复现

SPlisHSPlasH 位于 `/dev/shm/phaselatch_sph_20261006`。Linux manylinux 轮子捆绑 GLVND 与系统 GLX 冲突导致导入崩溃；仅对该进程预加载系统 GLdispatch/GLX/OpenGL 后导入通过，没有替换系统或 Isaac 的库。使用 MIT 许可的 `pysplishsplash==2.18.1`；cp311 Linux wheel SHA256 为 `a2c38d269a7c7cb87cda7ef52d30d3d42f50e90f683bc749801de45ca7a25b6d`，来源元数据在 `research/pysplishsplash_pypi.json`。

Genesis 位于 `/dev/shm/phaselatch_genesis_20261006`，独立安装 `genesis-world==1.4.3`、`torch==2.8.0+cu128`。Isaac 5.1 环境未升级。入口分别为 `sph_liquid_reference.py` 与 `genesis_liquid_reference.py`，安装/运行脚本在 `ops/`。候选报告与主视频分开记录，正式资格均默认为 false。

## 实测筛选结果

SPlisHSPlasH 的 `dfsph_weak_clearance` 完成整个小幅激励：频率约 3.7073 Hz，理想重力波参考误差 2.81%，8 个可辨认正峰、拟合 R²≈0.999，衰减率约 0.472 s⁻¹。没有流失或采样检出的杯壁穿透，末帧原生密度中位数约 1000.118 kg/m³。但水位／质心几何代理为 1.0529／1.0792，未通过 5% 联合门槛。因此它提供了有价值的波动和密度参照，尚不是合格替换。1.8 mm 加密试验出现静置泄漏和约 2.9 mm 穿透，已停止并保存失败结果。

Genesis 对照检查了导入杯体的 AABB，关闭自动填孔和凸化，以避免把开放杯口变成封闭几何。即使提高 SDF 分辨率，当前原生耦合仍出现杯底／壁穿透和流失，不能采用。进一步实现的 `cup_swept_contact.py` 以实际多边形杯体做连续线段碰撞检测，9 项测试涵盖杯口自由离开、外部液滴下落、侧壁和底板接触，以及独立三角形求交对照。该修正仍只在规定容器运动的夹具上试验：反作用力尚未双向接入自由杯体，而且完整流体试验仍触及计算边界。**没有把这个实验补丁放进机械臂主实现。**

当前优先继续 Newton 的 2 mm、零抗拉压力候选；理由是它同时通过了短时频率、几何和接触检查，而不是因为采用了更新的库。长期漂移、强激励后的液面恢复、表面张力／润湿以及双向力反馈仍需分别验证。所有后端保留失败报告，不用删粒子、冻结液体或杯内归位掩盖问题。

## Newton 原生 WCSPH 草稿的补充对照

发现 [Newton PR #3247](https://github.com/newton-physics/newton/pull/3247) 提供同类刚体冲量接口的 WCSPH 实现。它仍为未合并草稿；实际 `refs/pull/3247/head` 核查并固定为 `a980d1dc6916d9cb46716ebf330051b063c83315`，该代码的包版本是 **1.4.0.dev0**，不能因为 PR 网页较新便称为正式 1.7 功能。源文件、Apache-2.0 许可及哈希在 `research/native_wcsph/`。启智单独环境 `.venv_newton_sph_a980d1d`，没有覆盖原 Newton 1.7。

新增 `native_sph_reference.py` 在相同杯体、216.276 g、1000 kg/m³、0.001 Pa·s 下运行，采用 25 µs 步长并检查保守声学步长条件，未添加 XSPH 耗散、黏附或额外表面张力。三种初始化／支撑半径对照均出现静置粒子逃逸，因此当前设置没有通过严格的零静置流失检查：

- 原抖动点云、2 倍粒间距支撑半径，0.080025 s 时流失约 0.0588%，体积代理也明显偏离。
- 扩大到 3 倍支撑半径，初始中位密度接近 1000，显著降低初始压力瞬态，但 0.140025 s 时仍出现两个粒子逃逸（约 0.002735%）。这是严格静置门槛失败，不等价于超过机器人任务的 0.5% 洒出阈值。
- 保持总质量、取消初始随机位置扰动后，初始速度极值进一步下降，但静置仍出现逃逸，未升为生产后端。

这些结论只针对当前杯形与参数，不代表该库不能通过进一步标定。它没有成为规避原 MPM 数值异常的捷径。另已在启智建立 SPlisHSPlasH 2.18.1 的独立 Python 3.11 环境，以 1.8 mm 分辨率、0.5 ms 步长继续细化静置参照；结果需待运行完成。

### 继续记录后的新证据

随后保持原来的严格零损失判据，但关闭“首次损失就停止”的提前退出，完整记录初始化瞬态；没有归位、删除液滴或清零损失历史。3 mm 规则点云在 1 s 静置期间共损失 4 个粒子（约 0.00546%），后续小幅运动没有新增流失。其频率约 3.6591 Hz，衰减率约 0.4964 s⁻¹，但末帧质心几何代理低约 5.97%，仍未达到 5% 目标。

**2 mm 规则点云**完成同样的 3.15 s 弱激励：频率 **3.61940 Hz**，相对理想重力波参考误差 **0.374%**；7 个正峰，拟合 R²≈0.998，衰减率约 **0.5026 s⁻¹**。末帧水位／质心代理约 **0.9693／0.9591**，杯体和接液槽采样穿透均为 0。初始化共损失两个粒子（约 **0.000816%**），此后不再增加。该结果支持更合理的宏观波动和较小几何偏差，但仍没有通过严格零初始化损失判据，也没有自动获得正式资格。[测量与报告](../results/native_sph_reference_20261006/weak_fine2mm/slosh_analysis.json)。

独立 SPlisHSPlasH 1.8 mm 对照也完成了 0.5 s 静置，零流失／采样穿透，末帧水位／质心代理约 1.0262／1.0453，密度中位数约 1000.33 kg/m³。其 342,524 粒子 CPU 运行耗时约 2,439 s，只支持短时参照，不能称为长期验收或实用性能通过。[报告](../results/dfsph_reference_20261006/fine_static/report.json)。

另外建立 `.venv_newton17_sph` 私有适配环境：Newton 1.7 核心的独立非可编辑安装，加上固定 SHA 的 SPH 模块；原 Newton 1.7 环境作为只读依赖来源。没有改写原环境的模块。三步软件兼容检查通过，后续仍须验证完整运动和双向载荷，不能把“能导入”当作物理合格。

适配检查随后发现：Newton 1.7 的 `compute_shape_local_bounds` 已采用 `(shape_index, lane)` 分块内核，旧 SPH 调用方式会得到错误的碰撞包围盒。私有适配改为 `launch_tiled(..., block_dim=256)` 后，原先失败的 0.1 s 静置接触检查通过。此修改只在新环境里进行。

自由杯耦合的单步位移检查还拦截了网格接触中的毫米级位置修正。当前候选改用 Newton MPM 已有的最近面平均法线判定网格内外，并将该接触内核的 CUDA block 调为 128，以满足共享内存限制。结合公开 API 支持的就地 SPH 步进，0.5 s 自由杯检查完成：平均反作用力 **2.12167684 N**，理论重量 **2.12166883 N**，相对误差约 **0.000378%**。未检出超过 0.5 mm 的杯体穿透，微步位移保护未触发。这只验证当前短时耦合，不代表完整机器人或长期水动力验收。

完整三种工况在 `results/sph_suite_20261006/` 从初态独立运行，材料和机器人参数相同，仅改变运动时间。液体采用 25 µs 子步，每个 1.25 ms 刚体步累计液体冲量并反馈自由刚体，没有焊接杯子或限制液体反作用力。原生代码与适配哈希写入每段报告。只有通过几何、载荷和工况角色检查后才导出录像；最终结果以报告为准。

最终三种工况均完成物理过程、几何和载荷检查。正常速度达标，高速明显滑杯；慢速先超时，后续保持时杯移达到 2.002856 mm，使“仅超时”的严格角色检查失败。该失败保留，另行导出带完整失败标记的诊断视频，没有改阈值。三段视频和同后端累计离杯 12.7337% 的单杯急停检查均已完成同步 PathTracing、完整解码与关键帧核对，详见[新版验收记录](17_sph_robot_validation.md)。这些结果仍不是正式水动力资格。