麻省理工开发新方法 可以简化复杂材料的构建过程

工程师们不断寻找具有新颖、理想的性能组合的材料，例如使飞机和汽车更加节能的超强轻量化材料。

（图片来源：麻省理工学院）

(资料图片仅供参考)

多孔超材料（Cellular metamaterials）是由以各种模式重复的单元构成的人造结构，有助于实现超强轻量化。然而，要了解采用哪种单元结构才能实现所需的性能非常具有挑战性。即使是由较小构件组成的结构，如相互连接的梁或薄板，也需要考虑无限个可能的组合。

据外媒报道，麻省理工学院（MIT）和奥地利科学技术研究所（Institute of Science and Technology Austria）的研究人员开发了一种计算技术，可以更轻松地利用任一较小的构建块来快速设计超材料单元，然后评估所得超材料的特性。

这种方法就像是超材料的专用CAD（计算机辅助设计）系统，使工程师可以快速对非常复杂的超材料进行建模，并对相关设计进行实验。用户还可以通过友好型界面来探索潜在超材料形状的整个空间，因为所有构建块都可以使用。

麻省理工学院电子工程和计算机科学系研究生Liane Makatura表示：“我们提出了一种模型表示（representation），可以涵盖工程师们以往感兴趣的所有不同形状。你可以用同样的方式来构建，并且更流畅地进行切换。”

统一的方法

研究人员在开发多孔超材料时，通常会先选择一种用于描述其潜在设计的模型表示。这一选择决定了可用于探索的形状集。例如，可能选择一种利用许多互连梁来表示超材料的技术。然而，这会阻碍探索基于其他元素的超材料，例如薄板或球体等3D结构。这些形状由不同的模型表示给出，但目前为止，还没有一种统一的方法，可以用一种方法来描述所有形状。Makatura表示：“对于特定应用，其他一些形状可能也值得探索。”

在这项研究中，研究人员仔细研究了不同的超材料，结果发现构成整体结构的形状很容易用低维形状来表示，比如梁（beam）可以简化为线，或者薄壳可以压缩为平坦的表面。他们还注意到，多孔超材料通常具有对称性，因此只需要表示一小部分结构。其余部分可以通过旋转和镜像初始部分来构建。Makatura表示：“通过结合这两个观察结果，研究人员得出这样的想法：多孔超材料可以很好地表示为图形结构。”

通过基于图形的表示，用户可以利用由顶点和边创建的构建块来构建超材料框架。例如，要创建梁结构（beam structure），需要在梁的每个端点放置一个顶点，并用一条线将它们连接起来。然后，用户使用该线上的函数来指定梁的厚度，使其可以变化，比如梁的一部分比另一部分厚。表面的过程阈值类似：用户用顶点标记最重要的特征，然后选择一个求解程序（solver）来推断其余表面部分。通过这些易于使用的求解程序，用户可以快速构建高度复杂的超材料，称为三周期最小表面（TPMS）。这些结构非常强大，但相关开发过程通常存在挑战性。Makatura表示：“通过我们的模型表示，用户可以开始组合这些形状。同时，包含TPMS结构和梁结构的单元也许可以提供有趣的特性。”

在该过程结束时，系统会输出整个基于图形的过程，显示用户为实现最终结构而采取的每项操作，包括所有顶点、边、求解器、变换和加厚操作。在用户界面中，设计人员可以在构建过程中的任何点预览当前结构，并直接预测某些属性，例如刚度。然后，用户可以迭代调整一些参数并再次评估，直至实现合适的设计。

用户友好型框架

研究人员利用这一系统，重新创建了跨越许多独特类别的超材料结构。一旦设计好框架，每种超材料结构只需几秒钟即可生成。他们还创建了自动探索算法，为每个算法提供了一套规则，然后在其系统中将其放开。在一项测试中，在大约一小时内，一种算法返回了1000多个基于潜在构架的结构。

此外，研究人员还对10名超材料建模零经验的人进行了一项用户研究。用户能够成功地对六种给定结构进行建模。大多数人认为，过程图表示法（procedural graph representation）使这一过程变得更简单。Makatura表示：“我们的模型表示使人们更容易理解各种结构。我们对用户生成TPMS 的能力感到特别满意。即使对于专家来说，这些复杂的结构通常也很难生成。”

未来，研究人员希望通过结合更复杂的框架增厚程序（skeleton thickening procedure）来增强技术，以便使该系统可以模拟更多形状，以及继续探索使用自动生成算法。从长远来看，他们希望利用该系统进行逆向设计，包括指定所需的材料属性，然后使用算法找到最佳的超材料结构。

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