Инженеры постоянно находятся в поиске материалов с новыми, желаемыми сочетаниями свойств. Например, сверхпрочный и легкий материал можно было бы использовать для повышения топливной экономичности самолетов и автомобилей, или пористый и биомеханически чистый материал мог бы быть полезен для костных имплантатов.
Клеточные метаматериалы — искусственные структуры, состоящие из элементов, или ячеек, которые повторяются различными узорами, — могут помочь достичь этих целей. Но трудно знать, какая клеточная структура приведет к желаемым свойствам. Даже если кто-то сосредоточится на конструкциях, изготовленных из небольших строительных блоков, таких как соединенные между собой балки или тонкие пластины, существует бесконечное количество возможных вариантов расположения, которые следует рассмотреть. Таким образом, инженеры могут вручную исследовать лишь малую часть всех клеточных метаматериалов, которые гипотетически возможны.
Исследователи из Массачусетского технологического института и Института науки и технологий Австрии разработали вычислительную технику, которая упрощает пользователю быстрое проектирование ячейки из метаматериала из любого из этих небольших строительных блоков, а затем оценку свойств полученного метаматериала.
Их подход, подобный специализированной системе CAD (автоматизированного проектирования) для метаматериалов, позволяет инженеру быстро моделировать даже очень сложные метаматериалы и экспериментировать с конструкциями, на разработку которых в противном случае могли бы уйти дни. Удобный интерфейс также позволяет пользователю исследовать все пространство потенциальных форм метаматериала, поскольку в его распоряжении находятся все строительные блоки.
“Мы придумали представление, которое может охватить все различные формы, к которым инженеры традиционно проявляли интерес. Поскольку вы можете создавать их все одинаково, это означает, что вы можете переключаться между ними более плавно”, – говорит аспирантка Массачусетского технологического института по электротехнике и компьютерным наукам Лиане Макатура, соавтор статьи об этом методе, опубликованной в ACM Transactions on Graphics.
Макатура написал статью вместе с соавтором Боханом Ваном, постдоком Массачусетского технологического института; Йи-Лу Ченом, аспирантом Института науки и технологий Австрии (ISTA); Болеем Денгом, постдоком Массачусетского технологического института; Крисом Войтаном и Берндом Бикелем, профессорами ISTA; и старшим автором Войцехом Матусиком, аспирантом Массачусетского технологического института. профессор электротехники и компьютерных наук Массачусетского технологического института, возглавляющий группу компьютерного проектирования и изготовления в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Исследование будет представлено на конференции SIGGRAPH, которая состоится 6-10 августа.
Единый метод
Когда ученый разрабатывает клеточный метаматериал, он обычно начинает с выбора представления, которое будет использоваться для описания его потенциальных разработок. Этот выбор определяет набор фигур, которые будут доступны для исследования.
Например, она может выбрать технику, которая представляет собой метаматериалы с использованием множества соединяющихся лучей. Однако это мешает ей исследовать метаматериалы, основанные на других элементах, таких как тонкие пластины или трехмерные структуры, такие как сферы. Эти формы задаются разными представлениями, но до сих пор не было единого способа описать все формы одним методом.
“Выбирая конкретное подпространство заранее, вы ограничиваете свои исследования и вводите предвзятость, основанную на вашей интуиции. Хотя это может быть полезно, интуиция может быть неверной, и некоторые другие формы, возможно, также стоило бы изучить для вашего конкретного применения”, – говорит Макатура.
Она и ее коллеги сделали шаг назад и внимательно изучили различные метаматериалы. Они увидели, что формы, составляющие общую структуру, могут быть легко представлены формами меньшего размера – балку можно уменьшить до линии, а тонкую оболочку можно сжать до плоской поверхности.
Они также заметили, что клеточные метаматериалы часто обладают симметрией, поэтому необходимо представить лишь небольшую часть структуры. Остальное можно построить, повернув и отразив эту исходную деталь.
“Объединив эти два наблюдения, мы пришли к идее, что клеточные метаматериалы могут быть хорошо представлены в виде графической структуры”, – говорит она.
Используя их графическое представление, пользователь строит каркас из метаматериала, используя строительные блоки, которые создаются вершинами и ребрами. Например, чтобы создать структуру балки, нужно поместить вершину в каждую конечную точку балки и соединить их линией.
Затем пользователь использует функцию над этой линией, чтобы указать толщину балки, которую можно изменять таким образом, чтобы одна часть балки была толще другой.
Процесс для поверхностей аналогичен — пользователь помечает наиболее важные объекты вершинами, а затем выбирает решатель, который выводит остальную часть поверхности.
Эти простые в использовании решатели даже позволяют пользователям быстро создавать очень сложный тип метаматериала, называемый трижды периодической минимальной поверхностью (TPMS). Эти структуры невероятно мощны, но обычный процесс их разработки трудоемок и подвержен сбоям.
“С помощью нашего представительства вы также можете начать комбинировать эти формы. Возможно, элементарная ячейка, содержащая как структуру TPMS, так и структуру луча, могла бы придать вам интересные свойства. Но до сих пор эти комбинации на самом деле не были исследованы ни в какой степени”, – говорит она.
Визуализированный клеточный метаматериал, который исследователи разработали с использованием своей системы. Этот рендеринг, представляющий собой мозаику элементарной ячейки размером 4х4х4, состоит из балок, оболочек и простых объемных форм. Было бы гораздо сложнее создать это, используя другой подход, из-за различных типов задействованных архитектурных элементов. Источник: Массачусетский технологический институт
В конце процесса система выводит всю процедуру на основе графа, показывая каждую операцию, которую пользователь предпринял для получения окончательной структуры – все вершины, ребра, решатели, преобразования и операции сгущения.
В пользовательском интерфейсе проектировщики могут просмотреть текущую конструкцию на любом этапе процесса строительства и непосредственно спрогнозировать определенные свойства, такие как ее жесткость. Затем пользователь может итеративно настраивать некоторые параметры и оценивать их снова до тех пор, пока не будет достигнут подходящий дизайн.
Удобная для пользователя платформа
Исследователи использовали свою систему для воссоздания структур, охватывающих множество уникальных классов метаматериалов. Как только они спроектировали скелеты, создание каждой структуры из метаматериала заняло всего несколько секунд.
Они также создали автоматизированные алгоритмы исследования, предоставив каждому набор правил, а затем внедрив их в свою систему. В одном тесте алгоритм примерно за час выдал более 1000 потенциальных конструкций на основе ферм.
Кроме того, исследователи провели пользовательское исследование с участием 10 человек, у которых ранее был небольшой опыт моделирования метаматериалов. Пользователи смогли успешно смоделировать все шесть предоставленных им структур, и большинство согласилось с тем, что процедурное графическое представление упростило процесс.
“Наше представительство делает всевозможные структуры более доступными для людей. Нас особенно порадовала способность пользователей генерировать TPMS. Эти сложные структуры обычно трудно создать даже экспертам. Тем не менее, у одной TPMS в нашем исследовании было самое низкое среднее время моделирования из всех шести структур, что было удивительно и захватывающе”, – говорит она.
В будущем исследователи хотят усовершенствовать свою технику, внедрив более сложные процедуры утолщения скелета, чтобы система могла моделировать более разнообразные формы. Они также хотят продолжить изучение использования алгоритмов автоматической генерации.
И в долгосрочной перспективе они хотели бы использовать эту систему для обратного проектирования, где можно было бы указать желаемые свойства материала, а затем использовать алгоритм для поиска оптимальной структуры метаматериала.
