麻省理工学院和奥地利科学技术研究所的研究人员创造了一种技术，将许多不同的细胞超材料构建块包含在一个统一的基于图形的表示中。他们使用这种表示创建了一个用户友好的界面，工程师可以利用该界面快速轻松地对超材料进行建模，编辑结构并模拟其属性。图片来源:Liane Makatura, Bohan Wang, Bolei Deng和Wojciech Matusik
工程师们不断地寻找具有新颖、理想的性能组合的材料。例如，一种超强、轻质的材料可以用来使飞机和汽车更省油，或者一种多孔且生物力学友好的材料可以用于骨植入物。
细胞超材料——由单位或细胞组成的人工结构，以不同的模式重复——可以帮助实现这些目标。但很难知道哪种细胞结构会导致期望的性质。即使人们关注的是由更小的建筑块组成的结构，比如相互连接的梁或薄板，也有无数可能的安排需要考虑。因此，工程师们只能手动探索假设可能的所有细胞超材料中的一小部分。
麻省理工学院和奥地利科学技术研究所的研究人员已经开发出一种计算技术，使用户可以更容易地从这些较小的构建块中快速设计出超材料细胞，然后评估所得的超材料的特性。
他们的方法，就像一个专门的超材料CAD(计算机辅助设计)系统，允许工程师快速建模甚至非常复杂的超材料和实验设计，否则可能需要几天的时间来开发。用户友好的界面也使用户能够探索潜在的超材料形状的整个空间，因为所有的建筑模块都在他们的处置。
“我们提出了一种代表，可以涵盖工程师们传统上感兴趣的所有不同形状。因为你可以用同样的方式制造它们，这意味着你可以更流畅地在它们之间切换，”麻省理工学院电子工程和计算机科学研究生Liane Makatura说，他是一篇关于这项技术的论文的共同主要作者。
Makatura与麻省理工学院博士后王博汉(Bohan Wang)共同撰写了这篇论文;Chen Yi-Lu，奥地利科学技术研究所(ISTA)研究生;邓伯雷，麻省理工学院博士后;ISTA教授克里斯·沃伊坦和贝恩德·比克尔;以及资深作者Wojciech Matusik，他是麻省理工学院电子工程和计算机科学教授，领导着麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室的计算设计和制造小组。这项研究将在SIGGRAPH上展示。
统一的方法
当科学家开发一种细胞超材料时，她通常首先选择一种表征来描述她的潜在设计。这个选择决定了可用于探索的形状集。
例如，她可能会选择一种使用许多相互连接的光束来表示超材料的技术。然而，这阻碍了她探索基于其他元素的超材料，比如薄板或像球体这样的3D结构。这些形状由不同的表示给出，但到目前为止，还没有一种统一的方法来描述所有的形状。
“通过提前选择特定的子空间，你限制了自己的探索，并引入了基于直觉的偏见。虽然这可能是有用的，但直觉可能是不正确的，其他一些形状也可能值得探索你的特定应用，”Makatura说。
她和她的合作者退后一步，仔细研究了不同的超材料。他们发现，组成整体结构的形状可以很容易地用低维形状来表示——一根梁可以简化为一条线，或者一个薄壳可以压缩成一个平面。
他们还注意到，细胞超材料通常具有对称性，因此只需要表示结构的一小部分。其余部分可以通过旋转和镜像初始部分来构建。
她说:“通过结合这两种观察结果，我们得出了这样的想法，即细胞超材料可以很好地表示为图形结构。”
使用基于图形的表示，用户使用由顶点和边创建的构建块构建超材料骨架。例如，要创建一个梁结构，在梁的每个端点处放置一个顶点，并用一条线将它们连接起来。
然后，用户在这条线上使用一个函数来指定光束的厚度，可以改变光束的一部分比另一部分厚。
曲面的处理过程与此类似——用户用顶点标记最重要的特征，然后选择一个求解器来推断曲面的其余部分。
这些易于使用的求解器甚至允许用户快速构建高度复杂的超材料类型，称为三周期最小表面(TPMS)。这些结构非常强大，但通常的开发过程是艰巨的，容易失败。
“通过我们的展示，你也可以开始组合这些形状。也许一个同时包含TPMS结构和束结构的单晶胞可以给你带来有趣的特性。但到目前为止，这些组合还没有得到任何程度的探索，”她说。
在这个过程的最后，系统输出整个基于图的过程，显示用户为达到最终结构所做的每一个操作——所有的顶点、边、求解器、转换和加厚操作。
在用户界面中，设计师可以在建筑过程中的任何时刻预览当前结构，并直接预测某些属性，例如其刚度。然后，用户可以反复调整一些参数并再次评估它，直到达到合适的设计。
用户友好的ramework
研究人员使用他们的系统重建了跨越许多独特类别的超材料的结构。一旦他们设计好骨架，每个超材料结构只需要几秒钟就能生成。
他们还创造了自动探索算法，给每个算法一套规则，然后在他们的系统中松散地运行。在一项测试中，一种算法在大约一个小时内返回了1000多个潜在的桁架结构。
此外，研究人员还对10名之前几乎没有超材料建模经验的人进行了用户研究。用户能够成功地对给出的所有六种结构进行建模，并且大多数人都认为程序化的图形表示使建模过程更容易。
“我们的表现使人们更容易接触到各种各样的结构。我们对用户生成TPMS的能力特别满意。这些复杂的结构通常即使对专家来说也很难生成。尽管如此，在我们的研究中，在所有六个结构中，一个TPMS的平均建模时间是最低的，这是令人惊讶和兴奋的。
在未来，研究人员希望通过结合更复杂的骨骼增厚程序来提高他们的技术，这样系统就可以模拟各种各样的形状。他们还想继续探索自动生成算法的使用。
从长远来看，他们希望将这个系统用于逆向设计，在那里人们可以指定所需的材料特性，然后使用算法来找到最佳的超材料结构。
参考文献:“程序超材料:一个统一的程序图用于超材料设计”，作者:Liane Makatura, Bohan Wang, Yi-Lu Chen, Bolei Deng, Chris Wojtan, Bernd Bickel和Wojciech Matusik, 2023年7月28日，ACM图形学汇刊。DOI: 10.1145 / 3605389
这项研究的部分资金是由国家科学基金会研究生研究奖学金、麻省理工学院晨兴学院设计奖学金、国防高级研究计划局(DARPA)、ERC整合者赠款和NewSat项目资助的。
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评论列表（4条）
我是文学号的签约作者“城杉”！
希望本篇文章《超材料魔法：麻省理工学院的新方法简化了复杂材料的构建过程》能对你有所帮助！
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