Благодаря новому удобному интерфейсу исследователи могут быстро создавать множество клеточных структур метаматериалов с уникальными механическими свойствами. Инженеры постоянно ищут материалы с новым желаемым сочетанием свойств. Например, сверхпрочные и легкие материалы можно было бы использовать для того, чтобы сделать самолеты и автомобили более экономичными, а пористые и биомеханически безопасные материалы можно было бы использовать в костных имплантатах.
Клеточные метаматериалы — искусственные структуры, состоящие из единиц или клеток, повторяющихся по различным шаблонам, — могут помочь в достижении этих целей. Но трудно понять, какая клеточная структура будет обладать желаемыми свойствами. Даже если сосредоточиться на конструкциях, состоящих из более мелких элементов, таких как соединяющиеся балки или листы, существует бесчисленное множество возможных вариантов их расположения. В результате инженеры могут вручную исследовать лишь часть всех гипотетически возможных клеточных метаматериалов.
Исследователи из Массачусетского технологического института и Австрийского института науки и технологий разработали вычислительную технику, которая позволяет пользователям быстро проектировать единицы метаматериала из любого меньшего строительного блока, а затем оценивать свойства полученного метаматериала.
Их подход работает как специализированная система CAD (компьютерного проектирования) для метаматериалов, позволяя инженерам быстро моделировать очень сложные метаматериалы и экспериментировать с конструкциями, на разработку которых могут уйти дни. Удобный интерфейс также позволяет пользователям исследовать все пространство потенциальных форм метаматериала, поскольку доступны все строительные блоки.
«Мы придумали представление, которое охватывает все различные формы, которые традиционно интересуют инженеров. Поскольку вы можете построить их все одинаково, это означает, что вы можете переключаться между ними более плавно», — сказала аспирантка Массачусетского технологического института в области электротехники и информатики Лиана Макатура, соавтор технического документа.
Макатура является соавтором статьи вместе с постдоком Массачусетского технологического института Боханом Вангом. Йи-Лу Чен, аспирант Института науки и технологий Австрии (ISTA); Болей Денг, постдок Массачусетского технологического института; профессора ISTA Крис Войтан и Бернд Бикель; и старший автор Войцех Матусик, профессор электротехники и информатики Массачусетского технологического института, возглавляющий группу вычислительного проектирования и производства в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института. Исследование будет представлено на SIGGRAPH.
единый подход
Когда ученый разрабатывает клеточный метаматериал, он обычно сначала выбирает представление, которое будет описывать его потенциальную конструкцию. Этот выбор определяет набор фигур, доступных для исследования. Например, она могла бы выбрать метод, в котором для представления метаматериала используется множество взаимосвязанных лучей. Однако это помешало ей исследовать метаматериалы на основе других элементов, таких как тонкие пластины или трехмерные структуры, такие как сферы. Эти формы задаются разными представлениями, но до сих пор не существует единого способа описания всех форм одним способом.
«Выбирая конкретное подпространство заранее, вы ограничиваете свое исследование и вносите предвзятость, основанную на вашей интуиции. Хотя это может быть полезно, интуиция может быть неверной, и некоторые другие формы, возможно, стоит изучить для вашего конкретного применения», — сказал Макатура.
Она и ее коллеги сделали шаг назад и более внимательно изучили различные метаматериалы. Они обнаружили, что формы, составляющие общую структуру, можно легко представить с помощью низкоразмерных форм: балки можно свести к линиям, а тонкие оболочки можно сжать до плоских поверхностей.
Они также отмечают, что клеточные метаматериалы часто обладают симметрией, поэтому необходимо представить лишь небольшую часть структуры. Остальное можно построить, вращая и зеркально отображая исходную деталь. «Объединив эти два наблюдения, мы пришли к идее, что клеточные метаматериалы можно хорошо представить в виде графических структур», — сказала она.
Благодаря представлению на основе графов пользователи могут создавать скелеты метаматериалов, используя строительные блоки, созданные из вершин и ребер. Например, чтобы создать балочную конструкцию, вы помещаете вершины на каждом конце балки и соединяете их линией. Затем пользователь использует функцию в этой строке, чтобы указать толщину балки, которую можно изменять так, чтобы одна часть балки была толще другой.
Процесс аналогичен для поверхностей: пользователь отмечает наиболее важные элементы вершинами, а затем выбирает решатель, чтобы определить остальную часть поверхности. Эти простые в использовании решатели даже позволяют пользователям быстро создавать очень сложные метаматериалы, называемые трипиодными минимальными поверхностями (TPMS). Эти структуры очень мощные, но обычный процесс их развития труден и подвержен неудачам.
«Благодаря нашей демонстрации вы также можете начать комбинировать эти формы. Возможно, клетки, содержащие как структуры TPMS, так и балочные структуры, могут дать вам интересные свойства. Но до сих пор эти комбинации ни в какой степени не исследованы», — сказала она.
В конце процесса система выводит весь процесс на основе графа, показывая каждое действие, предпринятое пользователем для получения окончательной структуры — все вершины, ребра, решатели, преобразования и операции утолщения.
В пользовательском интерфейсе дизайнеры могут предварительно просмотреть текущую конструкцию в любой момент процесса сборки и напрямую спрогнозировать определенные свойства, например ее жесткость. Затем пользователь может итеративно корректировать некоторые параметры и снова оценивать их, пока не будет достигнут подходящий дизайн.
Исследователи использовали свою систему для воссоздания структуры метаматериалов многих уникальных классов. После того, как они спроектировали скелет, создание каждой метаматериальной структуры занимает всего несколько секунд.
Они также создали алгоритмы автоматического исследования, давая каждому алгоритму набор правил, а затем позволяя им действовать в своей системе. В одном тесте алгоритм вернул более 1000 потенциальных конструкций на основе ферм примерно за час.
Кроме того, исследователи провели пользовательское исследование с участием 10 человек, практически не имеющих опыта моделирования метаматериалов. Пользователи смогли успешно смоделировать все шесть структур, которые им были предоставлены, и большинство согласились с тем, что представление программной диаграммы облегчило процесс.
«Наши представители делают различные структуры более доступными. Мы особенно довольны возможностью пользователей создавать TPMS. Эти сложные структуры часто сложно создавать даже для экспертов. Тем не менее, одна из TPMS в нашем исследовании имела самое низкое среднее время моделирования среди всех шести структур, что удивительно и захватывающе», — сказала она.
В будущем исследователи надеются усовершенствовать свою технику, включив в нее более сложные процедуры утолщения костей, чтобы система могла моделировать более широкий диапазон форм. Они также хотят продолжить изучение использования автоматически генерируемых алгоритмов.
В долгосрочной перспективе они надеются использовать систему для выполнения обратного проектирования, где указываются желаемые свойства материала, а затем используются алгоритмы для поиска оптимальной структуры метаматериала.