Nowa metoda MIT upraszcza proces budowy skomplikowanych materiałów

Dzięki nowemu, łatwemu w użyciu interfejsowi badacze mogą szybko projektować liczne struktury materiałów komórkowych, które mają unikalne właściwości mechaniczne.

Inżynierowie stale poszukują materiałów o nowych i pożądanych kombinacjach właściwości. Na przykład ultrawytrzymały, lekki materiał można zastosować, aby zwiększyć oszczędność paliwa w samolotach i samochodach, lub porowaty, przyjazny biomechanicznie materiał może przydać się w implantach ortopedycznych.

Komórkowy metamateriały — sztuczne struktury składające się z jednostek lub komórek, które powtarzają się według różnych wzorów — mogą pomóc w osiągnięciu tych celów. Trudno jednak wiedzieć, która struktura komórkowa doprowadzi do pożądanych właściwości. Nawet jeśli skupimy się na konstrukcjach składających się z mniejszych elementów budowlanych, takich jak połączone ze sobą belki lub cienkie płyty, istnieje nieskończona liczba możliwych rozwiązań do rozważenia. Inżynierowie mogą zatem zbadać jedynie niewielki ułamek wszystkich teoretycznie możliwych materiałów komórkowych.

Naukowcy z MIT i Instytutu Nauki i Technologii w Austrii opracowali technikę obliczeniową, która ułatwia użytkownikowi szybkie zaprojektowanie komórki metamateriałowej z dowolnego z tych mniejszych elementów, a następnie ocenę właściwości powstałego metamateriału.

Ich podejście, takie jak wyspecjalizowany system CAD (projektowanie wspomagane komputerowo) dla materiałów syntetycznych, pozwala inżynierowi szybko modelować złożone materiały syntetyczne i eksperymentować z projektami, których opracowanie w innym przypadku zajęłoby kilka dni. Przyjazny interfejs pozwala także eksplorować całą przestrzeń możliwych kształtów metamateriałów, gdyż wszystkie elementy składowe są do jego dyspozycji.

„Opracowaliśmy reprezentację, która może obejmować wszystkie kształty, którymi tradycyjnie interesowali się inżynierowie” – mówi. „A ponieważ można je zbudować w ten sam sposób, oznacza to, że można się między nimi płynniej przełączać”. Instytut Technologii w Massachusetts Leanne Macatora, absolwentka elektrotechniki i informatyki, jest współautorką artykułu na temat tej techniki.

Makatora napisał artykuł wraz ze współautorem Bohanem Wangiem, pracownikiem naukowym ze stopniem doktora na MIT. Yi Lu Chen, absolwent Instytutu Nauki i Technologii w Austrii (ISTA); Polly Ding, badaczka ze stopniem doktora na MIT; Chris Vogtan i Bernd Bickel, profesorowie w ISTA; Główny autor Wojciech Matousek, profesor elektrotechniki i informatyki na MIT, kierujący grupą Computational Design and Manufacturing w Laboratorium Informatyki i Sztucznej Inteligencji MIT. Wyniki badania zostaną zaprezentowane w SIGGRAPH.

Metoda standaryzowana

Kiedy naukowiec opracowuje metamateriał komórkowy, zwykle zaczyna od wyboru reprezentacji, która zostanie wykorzystana do opisania jej potencjalnych projektów. Ten wybór określa zestaw kształtów, które będą dostępne do eksploracji.

Mógłby na przykład wybrać technologię reprezentującą materiały syntetyczne przy użyciu kilku połączonych ze sobą wiązek. Uniemożliwia to jednak eksplorację metamateriałów w oparciu o inne elementy, takie jak cienkie arkusze lub struktury 3D, takie jak kule. Kształty te są reprezentowane przez różne reprezentacje, ale jak dotąd nie ma jednolitego sposobu opisania wszystkich kształtów w jeden sposób.

„Wybierając predefiniowaną podprzestrzeń, ograniczasz eksplorację i wprowadzasz uprzedzenia oparte na intuicji. Chociaż może to być przydatne, intuicja może być błędna, a niektóre inne kształty również mogą być warte zbadania do własnych zastosowań” – mówi Makatora. „.

Ona i jej współpracownicy cofnęli się o krok i bliżej przyjrzeli się różnym materiałom syntetycznym. Zauważyli, że kształty tworzące ogólną konstrukcję można łatwo przedstawić za pomocą kształtów o mniejszych wymiarach, w których belkę można zredukować do linii lub cienką skorupę można sprasować w płaską powierzchnię.

Zauważają również, że metamateriały komórkowe są często identyczne, dlatego należy przedstawić tylko niewielką część struktury. Resztę można zbudować, obracając i odzwierciedlając początkowy element.

„Łącząc te dwie obserwacje, wpadliśmy na pomysł, że materiał komórkowy można dobrze przedstawić w formie struktury graficznej” – mówi.

Dzięki reprezentacji opartej na grafach użytkownik buduje szkielet metamateriałowy, korzystając z elementów generowanych przez wierzchołki i krawędzie. Na przykład, aby utworzyć konstrukcję belkową, w każdym punkcie końcowym belki umieszcza się wierzchołek i łączy go linią.

Następnie użytkownik używa funkcji znajdującej się powyżej tej linii, aby określić grubość belki, która może się zmieniać tak, że jedna część belki jest grubsza od drugiej.

Proces dla powierzchni jest podobny, w tym sensie, że użytkownik wybiera najważniejsze cechy za pomocą wierzchołków, a następnie wybiera solwer, który wnioskuje o pozostałej powierzchni.

Te łatwe w użyciu rozwiązania umożliwiają użytkownikom szybkie budowanie bardzo złożonego typu metamateriału, zwanego potrójną okresową powierzchnią minimalną (TPMS). Struktury te są niezwykle potężne, ale zwykły proces ich rozwijania jest pracochłonny i podatny na awarie.

„Dzięki naszej reprezentacji możesz także zacząć łączyć te kształty. Być może komórka elementarna posiadająca strukturę TPMS i strukturę belki może dać ciekawe właściwości. Jednak jak dotąd te kombinacje nie zostały w żadnym stopniu zbadane”, ona mówi.

Na koniec procesu system generuje całą procedurę opartą na grafach, pokazując każdą operację wykonaną przez użytkownika, aby uzyskać ostateczną strukturę – wszystkie wierzchołki, krawędzie, rozwiązania, przekształcenia i operacje zagęszczania.

Za pośrednictwem interfejsu użytkownika projektanci mogą podejrzeć istniejącą konstrukcję na każdym etapie budowy i bezpośrednio przewidzieć określone właściwości, takie jak jej sztywność. Następnie użytkownik może iteracyjnie modyfikować niektóre parametry i oceniać je ponownie, aż do uzyskania odpowiedniego projektu.

Łatwa w użyciu ramka

Naukowcy wykorzystali swój system do odtworzenia struktur zawierających wiele unikalnych klas metamateriałów. Po zaprojektowaniu szkieletów utworzenie każdego szkieletu z materiałów syntetycznych zajęło tylko kilka sekund.

Stworzyli także algorytmy automatycznej eksploracji, dając każdemu zestaw reguł, a następnie uruchamiając je w swoim systemie. W jednym z testów algorytm zwrócił w ciągu około godziny ponad 1000 możliwych struktur opartych na kratownicach.

Ponadto badacze przeprowadzili badanie użytkowników z udziałem 10 osób, które nie miały wcześniejszego doświadczenia w modelowaniu materiałów syntetycznych. Użytkownicy byli w stanie pomyślnie zaprojektować wszystkie sześć przedstawionych im konstrukcji i większość zgodziła się, że reprezentacja diagramu proceduralnego ułatwiła ten proces.

„Nasza reprezentacja udostępnia ludziom wszelkiego rodzaju struktury. Szczególnie podobała nam się możliwość tworzenia przez użytkowników TPMS. Zwykle nawet ekspertom trudno jest stworzyć tak złożone struktury. Jednak jeden z TPMS w naszym badaniu miał najniższą średni czas modelowania Pomiędzy wszystkimi sześcioma strukturami, co było zaskakujące i ekscytujące.

W przyszłości badacze chcą ulepszyć swoją technologię, włączając bardziej złożone procedury dotyczące grubości szkieletu, aby system mógł modelować szerszy zakres kształtów. Chcą także dalej badać zastosowanie algorytmów automatycznego generowania.

W dłuższej perspektywie chcieliby wykorzystać ten system do projektowania odwrotnego, w którym można określić pożądane właściwości materiału, a następnie zastosować algorytm do znalezienia idealnej struktury metamateriału.

Odniesienie: „Procedural Metamaterials: A Unified Procedural Diagram for Metamaterial Design” Lian Macatora, Bohan Wang, Yi-Lu Chen, Polly Ding, Chris Vogtan, Bernd Bickel i Wojciech Matuszek, 28 lipca 2023 r., Transakcje ACM na grafice.
doi: 10.1145/3605389

Badania te są częściowo finansowane przez stypendium National Science Foundation Graduate Research Fellowship, MIT Morningside Academy Design Fellowship oraz Agencję Zaawansowanych Projektów Badawczych w dziedzinie Obrony (DARPA), grant konsolidacyjny ERBN i projekt NewSat.