麻省理工学院多孔超材料(Cellular metamater

电动悟空摘录 工程师们不断寻找性能组合新颖、理想的材料，如超轻质材料，使飞机和汽车更加节能。

(来源:麻省理工学院)

多孔超材料（Cellular metamaterials）它是一种由各种模式重复的单元组成的人工结构，有助于实现超轻量化。然而，了解使用哪种单元结构来实现所需的性能是非常具有挑战性的。即使是由相互连接的梁或薄板等小部件组成的结构也需要考虑无限可能的组合。

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）研究人员开发了一种计算技术，可以更容易地使用任何较小的建筑块来快速设计超材料单元，然后评估超材料的特性。

该方法就像一个特殊的CAD（计算机辅助设计）系统，使工程师能够快速建模非常复杂的超级材料，并对相关设计进行实验。用户也可以通过友好的界面探索潜在的超级材料形状的整个空间，因为所有的建筑块都可以使用。

电子工程与计算机科学系研究生Liane Makatura说：“我们提出了一个模型来表示（representation），它可以覆盖工程师过去感兴趣的所有不同形状。您可以以同样的方式构建它们，并更流畅地切换它们。”

统一的方法

在开发多孔超材料时，研究人员通常首先选择一种模型来描述其潜在设计。这一选择决定了可用于探索的形状集。例如，可以选择一种使用许多互连梁来表示超材料的技术。然而，这阻碍了基于薄板或球体等其他元素的超材料的探索。这些形状是由不同的模型表示的，但到目前为止，还没有统一的方法来描述所有的形状。“其他形状也可能值得探索，”Makatura说。”

在这项研究中，研究人员仔细研究了不同的超材料，发现构成整体结构的形状很容易用低维形状表示，如梁（beam）它可以简化为线，或者薄壳可以压缩成平面。他们还注意到，多孔超材料通常是对称的，所以只需要表示一小部分结构。其余部分可以通过旋转和镜像的初始部分来构建。“结合这两个观察结果，研究人员认为多孔超材料可以很好地表示为图形结构，”Makatura说。”

通过基于图形的表示，用户可以利用顶点和边缘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，并用一条线连接它们。然后，用户使用在线函数来指定梁的厚度，使梁的一部分比另一部分厚。表面过程阈值相似：用户用顶点标记最重要的特征，然后选择解决程序（solver）推断其它表面部分。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，但相关的开发过程通常具有挑战性。“通过我们的模型，用户可以开始组合这些形状，”Makatura说。同时，包括TPMS结构和梁结构的单元也许能提供有趣的特性。”

在此过程结束时，系统将输出基于图形的整个过程，显示用户为实现最终结构而采用的所有操作，包括所有顶点、边缘、求解器、变换和加厚操作。在用户界面中，设计师可以在构建过程中预览当前结构，并直接预测一些属性，如刚度。然后，用户可以迭代调整一些参数并重新评估，直到实现适当的设计。

友好的用户框架

研究人员利用该系统重建了跨越许多独特类别的超材料结构。一旦框架设计好，每个超材料结构只需几秒钟就可以生成。他们还创建了自动探索算法，为每个算法提供一套规则，然后在其系统中释放它。在一个测试中，一个算法在大约一个小时内返回了1000多个基于潜在框架的结构。

此外，研究人员还对10名具有零超材料建模经验的人进行了用户研究。用户可以成功地建模六种给定结构。大多数人认为过程图表示法（procedural graph representation）让这个过程变得更简单。“我们的模型使人们更容易理解各种结构，”Makatura说。我们生成TPMS 我对能力特别满意。即使对专家来说，这些复杂的结构通常也很难生成。”

未来，研究人员希望结合更复杂的框架增厚程序（skeleton thickening procedure）增强技术，使系统能够模拟更多的形状，并继续探索自动生成算法的使用。从长远来看，他们希望使用该系统进行反向设计，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。