Новый метод упрощает процесс строительства для сложных материалов

Исследователи из Массачусетского технологического института и Института науки и технологий Австрии создали метод, включающий в себя множество различных строительных блоков клеточных метаматериалов в одно, единое представление на графике.Они использовали это представление, чтобы создать удобный интерфейс, который инженер может использовать для быстрого и легко моделирования метаматериалов, редактирования структур и имитировать их свойства.Кредит: Массачусетский технологический институт

Инженеры постоянно ищут материалы с новыми, желательными комбинациями свойств.Например, сверхпрочный, легкий материал может быть использован для того, чтобы сделать самолеты и автомобили более экономичными, или материал, который является пористым и биомеханически дружелюбным, может быть полезным для костных имплантатов.

Клеточные метаматериалы - художественные структуры, состоящие из единиц, или клеток, которые повторяются в различных закономерностях - могут помочь достичь этих целей.Но трудно понять, какая клеточная структура приведет к желаемым свойствам.Даже если кто -то фокусируется на конструкциях, изготовленных из более мелких строительных блоков, таких как взаимосвязанные балки или тонкие пластины, существует бесконечное количество возможных расположений.Таким образом, инженеры могут вручную исследовать лишь небольшую часть всех клеточных метаматериалов, которые гипотетически возможны.

Исследователи из MIT и Института науки и технологии Австрии разработали вычислительную технику, которая облегчает пользователю быстро разработать метаматериальную ячейку из любого из этих меньших строительных блоков, а затем оценивать полученные свойства метаматериала.

Их подход, такой как специализированная система САПР (компьютерный дизайн) для метаматериалов, позволяет инженеру быстро моделировать даже очень сложные метаматериалы и экспериментировать с конструкциями, которые в противном случае могли бы потребоваться дни.Интерфейс, удобный для пользователя, также позволяет пользователю исследовать все пространство потенциальных метаматериальных форм, поскольку все строительные блоки находятся в их распоряжении.

«Мы придумали представление, которое может охватить все различные формы, к которым инженеры традиционно проявляют интерес. Поскольку вы можете построить их одинаково, это означает, что вы можете переключаться между ними более плавно», - говорит MIT Electrical Engineering и компьютерная наукаАспирант Лиана Макатура, соавторский автор документа по этой технике, опубликованной в ACM Transactions по графике.

Макатура написала газету с автором со-ведущего Боханом Вангом, постдоком MIT;И-Лу Чен, аспирант Института науки и технологий Австрии (ISTA);Bolei Deng, MIT Postdoc;Крис Войтан и Берн Бикел, профессора в Ите;и старший автор Wojciech Matusik, профессор электротехники и компьютерных наук в MIT, который возглавляет группу по вычислительному дизайну и изготовлению в лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта MIT.Исследование будет представлено в Siggraph, состоявшемся 6–10 августа.

Когда ученый развивает клеточный метаматериал, она обычно начинает с выбора представления, которое будет использоваться для описания ее потенциальных дизайнов.Этот выбор определяет набор форм, который будет доступен для исследования.

Например, она может выбрать технику, которая представляет метаматериалы, используя множество взаимосвязанных лучей.Однако это мешает ей изучить метаматериалы на основе других элементов, таких как тонкие пластины или 3D -структуры, такие как сферы.Эти формы даются различными представлениями, но до сих пор не было единого способа описать все формы в одном методе.

«Выбирая определенное подпространство заранее, вы ограничиваете свое исследование и вводите предвзятость, основанную на вашей интуиции. Хотя это может быть полезно, интуиция может быть неверной, а некоторые другие формы, возможно, также стоили изучить для вашего конкретного приложения, - говорит Макатура.

Она и ее сотрудники сделали шаг назад и тщательно изучили различные метаматериалы.Они увидели, что формы, которые составляют общую структуру, могут быть легко представлены с помощью более низких форм-луч может быть уменьшен до линии, или тонкая раковина может быть сжата до плоской поверхности.

Они также заметили, что клеточные метаматериалы часто имеют симметрию, поэтому необходимо представить только небольшую часть структуры.Остальное может быть построено путем вращения и отражения этой начальной части.

«Объединяя эти два наблюдения, мы достигли этой идеи, что клеточные метаматериалы могут быть хорошо представлены как структура графика»,-говорит она.

Благодаря своему графическому представлению пользователь строит метаматериальный скелет, используя строительные блоки, которые создаются вершинами и ребрами.Например, чтобы создать структуру луча, кто -то помещает вершину в каждую конечную точку луча и соединяет их с линией.

Затем пользователь использует функцию по этой линии, чтобы указать толщину луча, которая может варьироваться, поэтому одна часть луча толще другой.

Процесс для поверхностей аналогичен - пользователь отмечает наиболее важные функции с вершинами, а затем выбирает решатель, который делает оставшуюся часть поверхности.

Эти простые в использовании решатели даже позволяют пользователям быстро построить очень сложный тип метаматериала, который называется трехкратной периодической минимальной поверхностью (TPMS).Эти структуры невероятно мощные, но обычный процесс для их разработки является трудным и подверженным отказам.

«С нашим представлением вы также можете начать объединять эти формы. Возможно, единичная ячейка, содержащая как структуру TPMS, и структура луча, может дать вам интересные свойства. Но пока эти комбинации действительно не были изучены в какой -либо степени», - она », - она», - она », - она.говорит

Визуализированный клеточный метаматериал, который исследователи разработали с использованием своей системы.Этот рендеринг, плитка 4x4x4 единичной ячейки, состоит из балок, оболочек и простых объемных форм.Было бы гораздо сложнее создать это, используя другой подход из -за различных типов архитектурных элементов.Кредит: Массачусетский технологический институт

В конце процесса система выводит всю процедуру на основе графиков, показывая каждую операцию, которую пользователь предпринимал для достижения конечной структуры-все вершины, ребра, решатели, преобразования и операции сгущения.

В пределах пользовательского интерфейса дизайнеры могут предварительно просмотреть текущую структуру в любой точке процедуры здания и непосредственно предсказать определенные свойства, такие как ее жесткость.Затем пользователь может итеративно настроить некоторые параметры и оценить его снова, пока не будет достигнут подходящий дизайн.

Исследователи использовали свою систему для воссоздания структур, которые охватывали многие уникальные классы метаматериалов.Как только они разработали скелеты, каждая метаматериальная структура заняла всего секунды.

Они также создали автоматизированные алгоритмы разведки, давая каждому набору правил, а затем освобождают его в своей системе.В одном тесте алгоритм вернул более 1000 потенциальных конструкций на основе фермы примерно за час.

Кроме того, исследователи провели изучение пользователя с 10 человек, у которых мало предварительного опыта моделирования метаматериалов.Пользователи смогли успешно моделировать все шесть структур, которые им дали, и большинство согласились с тем, что представление процедурного графа облегчило процесс.

«Наше представление делает всевозможные структуры более доступными для людей. Мы были особенно довольны способностью пользователей генерировать TPM. Эти сложные структуры, как правило, трудно даже для генерации экспертов. Тем не менее, один TPM в нашем исследовании имел самое низкое среднее время моделированияИз всех шести структур, что было удивительным и захватывающим », - говорит она.

В будущем исследователи хотят улучшить свою технику, включив более сложные процедуры утолщения скелета, поэтому система может моделировать более широкий спектр форм.Они также хотят продолжить изучение использования автоматических алгоритмов генерации.

И в долгосрочной перспективе они хотели бы использовать эту систему для обратной конструкции, где можно было бы указать желаемые свойства материала, а затем использовать алгоритм, чтобы найти оптимальную метаматериальную структуру.

Больше информации: Liane Makatura et al., Процедурные метаматериалы: единый процедурный график для дизайна метаматериала, транзакции ACM на графике (2023).Doi: 10.1145/3605389