15 · 5.1 到 6.0 的物理層變動:PhysX 換代與 Newton 後端的加入

從 Isaac Sim 5.1 升到 6.0,物理層同時發生了兩件獨立的事:PhysX 自己跨了三個大版號,以及多了一個叫 Newton 的後端可以選。這兩件事常被混談成「6.0 改用 Newton 了」,但它們的影響範圍與觸發條件完全不同——多數場景升上 6.0 之後跑的仍然是 PhysX,而升級帶來的行為差異主要來自 PhysX 換代,不是來自 Newton。

分不清這兩者,排查方向會整個偏掉:以為在調 Newton 的參數,實際跑的是 PhysX;或者反過來,把 PhysX 時代的調參經驗套在一個已經自動切成 Newton 的環境上。

本篇先把「怎麼確定自己這台跑的是哪一個」講清楚,再分別談兩者的變動。

延伸閱讀:09 物理模擬基礎(timestep、solver、contact/rest offset、CCD)、13 接觸與抓握的第一性原理(為什麼調摩擦常是錯的第一步)、08 5.1 → 6.0.1 遷移風險調查(場景與記憶體面)、14 ROS 2 Bridge 在 6.0 的架構重組。

1. 兩件事,不是一件

實測兩台機器的 omni.physx 版本(同一套場景、同一個專案):

Isaac Sim 5.1 (native)    omni.physx-107.3.26+107.3.3
Isaac Sim 6.0.1 (容器)     omni.physx-110.1.13

107 → 110 不是修補版號的推進。「同一份場景在 5.1 能跑、搬到 6.0 行為變了」這件事,在還沒碰到 Newton 之前就已經有充分的解釋來源了。

2. 先確定自己跑的是哪一個後端

這是所有物理排查的第零步。判斷依據按可信度排列。

2.1 機制:誰決定 active engine

isaacsim.core.simulation_manager 負責註冊物理引擎並挑出 active 的那個。它的 default_engine 預設是 physx。

但 isaacsim.physics.newton 這個 extension 有一個 auto_switch_on_startup 設定,預設為 true——只要它被啟用,啟動時就會把 active engine 搶成 Newton,即使 default_engine 還寫著 physx。

於是判斷邏輯是:

app 有沒有 enable isaacsim.physics.newton ?
├─ 沒有 → PhysX
└─ 有 → 看它的 auto_switch_on_startup
         ├─ true(預設)→ Newton
         └─ false      → 依 default_engine

顯式指定的啟動參數:

--/exts/isaacsim.core.simulation_manager/default_engine=physx    # 或 =newton
--/exts/isaacsim.physics.newton/auto_switch_on_startup=false     # 關掉自動切換

執行期查詢:

from isaacsim.core.simulation_manager import SimulationManager
print(SimulationManager.get_active_physics_engine())

from isaacsim.physics.newton import get_available_physics_engines
print(get_available_physics_engines())

2.2 靜態判斷:讀 kit app 檔

在 6.0.1 實機上 grep 三支 app,結果分明:

# isaacsim.exp.full.newton.kit
"isaacsim.physics.newton" = {}
"isaacsim.physics.newton.tensors" = {}
"isaacsim.physics.newton.ui" = {}
exts."isaacsim.physics.newton".auto_switch_on_startup = true
exts."isaacsim.physics.newton".capture_graph_physics_step = true

Newton 在 6.0.1 是要顯式選的:用 isaacsim.exp.full.newton.kit 這支專屬 app,或自己把 extension 加進去。

⚠ 官方 skills/physics-simulation/SKILL.md 寫「the standard isaacsim.exp.full.kit does [enable newton]」。這句與同一個 tag 底下的實際檔案不符——v6.0.1 與 main(VERSION 6.0.1-rc.7)的 source/apps/isaacsim.exp.full.kit 都沒有任何 newton 條目,6.0.1 容器內的實檔也沒有。它可能描述的是更後面的版本規劃。

教訓不在於哪一方對,而在於官方 skill / 文件與官方 repo 的實際檔案是兩個獨立的真值來源,會互相矛盾。判斷「我這台會不會自動切 Newton」這種決定性問題,要讀自己機器上那支 app 檔,不要只讀敘述。

2.3 日誌佐證:區分「載入」與「啟用」

啟動 log 裡出現 newton 字樣,不代表 Newton 是 active 的。實測一台跑 PhysX 的 6.0.1:

[13.182s] [ext: isaacsim.pip.newton-0.6.1] startup          ← pip 套件,只是裝著
[14.129s] [ext: omni.usd.schema.newton-1.2.1] startup       ← USD schema,認得 token 而已
[14.444s] [ext: omni.physx.foundation-110.1.13] startup     ← 真正在跑的是這些
[14.452s] [ext: omni.physx-110.1.13] startup
[15.297s] [ext: omni.physx.tensors-110.1.13] startup

關鍵在於沒有 [ext: isaacsim.physics.newton-…] startup 這一行。

• isaacsim.pip.newton = Python 套件依賴
• omni.usd.schema.newton = USD schema 定義(讓 stage 認得 Newton*API token)
• isaacsim.physics.newton = 引擎本體,只有這個 startup 才代表 Newton 真的參與模擬

前兩者在標準 6.0.1 安裝裡本來就會載入。看到 newton 就下結論,是這裡最容易犯的錯。

3. Newton 是什麼,什麼時候該用

官方定位是 experimental,與 PhysX 並列可切換:

The isaacsim.physics.newton extension integrates Newton physics simulation into Isaac Sim, providing an alternative physics engine to PhysX with support for advanced solvers including XPBD and MuJoCo backends.

— source/extensions/isaacsim.physics.newton/docs/Overview.md @ v6.0.1

它不是一個求解器,而是一組:

官方給的選擇建議裡,有一條直接決定了多數既有專案的走向:

— skills/physics-simulation/SKILL.md @ v6.0.1

把 5.x 場景搬上 6.0 的情境,官方建議留在 PhysX。 這也是為什麼「6.0 = Newton」這個印象在實務上多半不成立:做遷移的人本來就不該切過去。

兩個後端共用 UsdPhysics.* 這層標準 schema,許多 PhysxSchema.* 屬性在 Newton 下仍被採用,Newton 另外透過 omni.usd.schema.newton 讀自己的求解器設定。ROS 2 那一側則不受影響:

ROS 2 Bridge handles the Newton backend similarly to PhysX. All OmniGraph nodes are compatible with Newton and PhysX.

— Isaac Sim 6.0.0 release notes

3.1 官方已知限制:PhysX 資產切 Newton 會踩的九件事

官方 Newton Physics Backend(@6.0.0)列出的限制,對「既有 PhysX 場景該不該切」是最實際的判斷依據:

加上官方的總結句:PhysX 調好的資產「may not produce optimal results with Newton/MuJoCo out of the box」——§3 那條「5.x 場景留在 PhysX」的建議,背後就是這張清單。

另外兩條 6.0.x release notes 裡與 schema 授權相關的變化(對照 §5):URDF/MJCF 匯入器現在對匯入資產同時授權 Newton schema(NewtonArticulationRootAPI、NewtonMimicAPI),articulation root 上不再授權 PhysxArticulationAPI、mimic joint 不再寫 PhysxMimicJointAPI;MassAPI 只在有非預設密度時才授權(「links with no mass no longer have a MassAPI applied」)。新匯入的資產與 5.x 時代的資產,授權組成不一樣——比對兩個時期的資產時這不是漂移,是匯入器版本差。

4. PhysX 110 拿掉了什麼

跟 Newton 無關、升級就會遇到的部分。

移除的功能——粒子與可變形體整組:布料(cloth)、deformable body、particle physics 從 PhysX 移除,對應的 standalone 範例與 API 標為 deprecated。這類場景要繼續跑,路徑是切到 Newton 的 XPBD / VBD。

變成 no-op 的屬性:physxPBDMaterial:lift、physxPBDMaterial:drag 保留但不再作用,只會發 deprecation warning。

改名:GPU deformable 接觸數上限改名為 GpuMaxDeformableVolumeContacts。

其中最需要留意的是第二類。屬性還在、設得進去、不報錯,但不再有任何效果——這是無聲失效的標準形狀,與 13 篇 §5 談的是同一個問題:模擬器永遠給得出答案,沒有錯誤訊息不攜帶任何正確性資訊。

4.5 唯一改變的 schema 預設值:關節速度上限沒了

逐項比對兩版 PhysxSchema/resources/generatedSchema.usda 裡所有帶預設值的屬性(107.3.26 共 235 條、110.1.13 共 190 條),同名屬性的預設值只有一項不同:

physxJoint:maxJointVelocity      107.3.26: 1000000        110.1.13: inf

官方 doc:

Maximum joint velocity. Only applies to joints that are part of an articulation (see PhysicsArticulationRootAPI). All joint axes will use the same maximum joint velocity value.

也就是說,5.x 時代所有 articulation 的關節都有一道 1e6 的速度上限,6.0 把它拿掉了。求解器在接觸不穩定時算出的異常關節速度,在 5.x 會被夾住,在 6.0 原樣生效。

對機械臂、夾爪、堆高機叉齒這類由 articulation 驅動去接觸別的物體的場景,這是一條需要留意的行為變更:關節暴衝會把巨大動量傳給被接觸的物體,表現為「東西突然飛出去」,而且不會有任何錯誤訊息。

旁證是 110 同時新增的兩個場景層屬性,其中一個正是同一組機制:

physxScene:solveArticulationContactLast   ← 110 新增
  doc: Order articulation contact constraints and articulation joint
       maximum velocity constraints so that they are solved after all
       other constraints in the solver.
physxScene:disableSleeping                ← 110 新增

「articulation joint maximum velocity constraints」——110 不只改了預設值,還為這組約束加了求解順序的開關。這一區在 107 → 110 之間被整體動過。

遷移時的處置:如果你的場景依賴 articulation 去推、夾、叉東西,升上 6.0 後行為變得不穩,先顯式把 physxJoint:maxJointVelocity 設回一個有限值再談其他調參。這是一個成本極低、機制明確的對照實驗。

⚠ 但把它當對照實驗,不要當結論。 來源專案實測:AMR 全關節限速後,間歇性「棧板飛走」的發生率沒有可量測的下降——最後定位到的現場是一對永遠睡不著的相鄰接觸對(09 篇 §2.5),與關節速度無關。「schema 預設值確實變了」是事實;「它是你場景失穩的原因」要靠實驗證明,兩者不要混。

⚠ 這個比對只涵蓋 USD schema 曝露的預設值。PhysX SDK 內部不透過 schema 曝露的預設值沒有比對到,C++ 層仍可能有其他變更。「只有一項不同」限定在 schema 這一層。

另外,110 相對 107 移除了 45 條屬性,全部集中在 physxDeformable* / physxParticle* / physxAutoParticleCloth* / physxAutoAttachment*——與 §4 講的「粒子與可變形體整組移除」一致,剛體搬運類場景不受影響。

5. Schema 授權規則的變動:匯入器改寫 Newton schema

6.0 的 URDF / MJCF 匯入器預設對匯入資產套用 Newton schema,可在匯入時選後端。具體變動:

第三條對接觸行為有直接影響。質量是接觸力計算裡的隱藏參數——質量比失衡會讓求解器算出來的法向力不足以支撐(10 篇 談過質量比是隱藏參數)。授權規則改變意謂同一個匯入流程在兩版產出的資產,質量可能不一樣,而這不會有任何警告。

跨版本搬場景時,質量屬於「要重新量、不能假設沿用」的那一類。

這裡還有一個組合風險:場景帶了 Newton*API 的 schema,但實際跑的是 PhysX 後端。schema extension 有載入,所以 stage 讀得進去、不報錯,但 PhysX 不吃這些 token,設定被靜默丟棄。從 6.0 匯入器產出資產、卻在 PhysX 下跑,就會落進這個組合。判斷方式是先確定後端(§2),再確認場景實際帶的是哪一套 API token。

6. API 搬家:deprecated 不等於刪除

比對兩個 tag 的 source/extensions/ 會看到三個 core extension「消失」:

6.0 相對 5.1 少了:  isaacsim.core.api   isaacsim.core.prims   isaacsim.core.utils
6.0 相對 5.1 多了:  isaacsim.core.experimental.actuators
                    isaacsim.core.experimental.primdata
                    isaacsim.core.rendering_manager

它們沒有被刪除,是搬到了 source/deprecated/:

source/deprecated/isaacsim.core.api/
source/deprecated/isaacsim.core.prims/
source/deprecated/isaacsim.core.utils/

仍然可用,既有腳本不會立刻壞。遷移方向:

isaacsim.sensors.physx* 三個 extension 在 6.0 的 source/extensions/ 底下確實不見了,對照官方 release notes 是 deprecated 而非移除——目錄結構的增減不能直接讀成功能的存廢,要對照 source/deprecated/ 與 release notes 才有結論。

7. 對調參的實務影響

假設情境:5.x 的搬運場景搬上 6.0.1,後端維持 PhysX,某個抓取/承載動作變得不穩。

不該做的第一步是調摩擦。理由在 13 篇 已完整推導:g > 0 ⟹ λₙ = 0 ⟹ ‖f_t‖ ≤ μ·0 = 0,沒有接觸點時 μ 設多大都是零。

跨版本情境下,排查順序建議如下:

一個有用的反向判據:當 μ 已經被調到遠離物理合理範圍、問題卻沒有改善時,那本身就是「瓶頸不在摩擦」的證據。 官方給的參考值可以當標尺:

— skills/physics-simulation/SKILL.md @ v6.0.1

日常工程材料的 μ 大致落在 0.3–1.0。看到場景裡掛著 μ = 5,那不是一個「摩擦不夠」的場景,是一個曾經有人往摩擦方向調過而且沒有解決問題的場景。這種數值本身就是排查證據。

另外兩條與版本無關、但在跨版本排查時特別容易忽略的規則(同樣來自官方 skill):

• RigidBodyAPI 與 CollisionAPI 必須在同一個 prim 上。 拆到父/子層會造成間歇性的碰撞失效——間歇性正是最難歸因的失效形態。
• 帶 scale 的靜態碰撞體要用「父 xform 放位置、子 mesh 放 scale」,直接對套了 CollisionAPI 的 Cube 做 scale,PhysX 會用錯碰撞邊界(典型症狀是物件穿過地面)。

8. 一頁摘要

參考

官方(github.com/isaac-sim/IsaacSim,標明 tag):

• source/apps/isaacsim.exp.full.kit / isaacsim.exp.full.newton.kit @ v6.0.1、main — 後端啟用的決定性依據
• source/extensions/isaacsim.physics.newton/docs/Overview.md @ v6.0.1 — Newton 定位與設定類別
• skills/physics-simulation/SKILL.md @ v6.0.1 — 後端選擇建議、摩擦參考表、prim 設定規則(§2.2 記錄了它與實檔的一處矛盾)
• Isaac Sim 6.0.0 release notes — Newton 實驗性支援、PhysX 移除項、schema 變更、API deprecation
• source/deprecated/ @ v6.0.1 — 三個 core extension 的實際去向

實測:Isaac Sim 5.1 native 與 nvcr.io/nvidia/isaac-sim:6.0.1 容器各一台,2026-07-29。omni.physx 版本、extension startup 序列、三支 kit app 的 newton 條目均為該兩機實際輸出。