新方法簡化複雜材料的構建過程
背景
麻省理工學院（MIT）和奧地利科學與技術研究所的研究人員開發出了一種新的計算技術，可以幫助工程師快速設計新型複雜材料的結構並模擬其效能。他們透過建立一個統一的基於圖形的表示來實現這一目標，該表示可以包括許多不同的細胞變材料結構。
細胞變材料的應用
工程師們不斷尋找具有新穎和理想效能組合的材料，例如，一種超強、輕量化的材料可以用於製造節能的飛機和汽車，或者一種多孔且生物力學友好的材料可以用於骨骼植入物。細胞變材料是由重複在不同模式中的單元或細胞組成的人工結構，可以實現這些目標。然而要找到能夠達到期望效能的細胞結構並不容易。即使專注於由相互存取的梁或薄板等小型構件組成的結構也有無窮多種可能的排列組合需要考慮。因此工程師們只能手動探索其中一小部分的細胞變材料結構。
新方法的開發
MIT 和奧地利科學與技術研究所的研究人員開發了一種計算技術，使工程師能夠快速從各種小型構件中設計細胞變材料單元，並評估所得到的材料結構的效能。這種方法類似於針對細胞變材料的專門 CAD（計算機輔助設計）系統，使工程師能夠快速建模非常複雜的細胞變材料並嘗試設計。
該方法使用了一種基於圖形的表示工程師可以使用這個表示來構建細胞變材料的骨架，骨架由由節點和邊構成的構件建立。例如，要建立一個梁結構，工程師可以在梁的每個端點處放置一個節點，並用一條線將它們存取起來。然後，工程師可以使用一個函數來規定梁的厚度，並且可以根據需要在梁的不同部分設定不同的厚度。類似地，表面結構的構建過程類似，工程師可以使用節點標記最重要的特徵，然後選擇求解器來得出其餘表面的結構。
易於使用的介面
研究人員使用他們的系統重新建立了涵蓋許多獨特細胞變材料類別的結構。對於每個結構，只需幾秒鐘就可以生成。他們還建立了自動探索算法，為每個算法設定一組規則，然後在他們的系統中執行。在一項測試中，一個算法在一個小時內返回了 1000 多種可能的基於橋的結構。
此外研究人員還進行了一項使用者研究，其中 10 名具有少量細胞變材料建模經驗的參與者成功地建模了所給予的六個結構。他們中的大多數表示基於圖形的表示方法使建模過程更加容易。
未來展望
未來，研究人員希望透過結合更複雜的骨架厚化過程來增強他們的技術，以便系統可以建模更多種類的形狀。他們還希望繼續探索使用自動生成算法的應用。未來，他們還希望將該系統應用於逆向設計，即指定所需的材料效能，然後使用算法找到最佳的細胞變材料結構。
這一研究為工程師們設計和模擬新型複雜材料提供了一個更加簡化和高效的方式，並將對材料科學和工程學領域的發展產生積極的影響。
