<p>內(nèi)燃機、螺旋槳和液壓泵都是流體裝置的例子&mdash;&mdash;利用流體來執(zhí)行某些功能的儀器，如發(fā)電或輸送水。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由于流體裝置非常復雜，它們通常由經(jīng)驗豐富的工程師開發(fā)，他們通過昂貴、耗時和勞動密集型的迭代過程手動設計、原型和測試每個設備。但在新系統(tǒng)中，用戶只需要指定流體進入和退出設備的位置和速度，計算管道就會自動生成實現(xiàn)這些目標的最佳設計。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該系統(tǒng)可以使設計各種應用的流控設備變得更快、更便宜，比如可以從幾滴血液中診斷疾病的芯片上的微流控實驗室，或者可以挽救移植患者生命的人造心臟。</p> <p>&nbsp;</p> <p>最近，人們開發(fā)了計算工具來簡化手工設計過程，但這些技術(shù)都有局限性。有些要求設計師提前指定設備的形狀，而另一些則使用被稱為體素的3D立方體來表示形狀，結(jié)果是四四方方的無效設計。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由麻省理工學院和其他地方的研究人員開發(fā)的計算技術(shù)克服了這些缺陷。他們的設計優(yōu)化框架不需要用戶對設備應該是什么樣子做出假設。而且，在優(yōu)化過程中，設備的形狀會自動演變?yōu)槠交模皇菈K狀的，不精確的邊界。這使得他們的系統(tǒng)能夠創(chuàng)建比其他方法更復雜的形狀。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;現(xiàn)在你可以在計算管道中無縫地完成所有這些步驟。有了我們的系統(tǒng)，你可能會創(chuàng)造出更好的設備，因為你可以探索從未用人工方法研究過的新設計。也許有一些形狀還沒有被專家探索過。&rdquo;電氣工程和計算機科學研究生李一飛說，她是一篇詳細介紹該系統(tǒng)的論文的主要作者。<img src="https://news.mit.edu/sites/default/files/images/inline/fluidic-topology-1.gif" alt="Animation shows digital construction of pipeline from left to right." width="800" height="800" /></p> <p>研究人員的系統(tǒng)使用可以改變形狀的3D塊來平滑地生成流體擴散器的設計，該設計將液體從一個大開口引導到16個小開口。</p> <p>&nbsp;</p> <p>圖源:李一飛/MIT CSAIL</p> <p><br />合著者包括杜濤，前計算機科學與人工智能實驗室(CSAIL)博士后，現(xiàn)任清華大學助理教授;高級作者Wojciech Matusik，電氣工程和計算機科學教授，領(lǐng)導CSAIL內(nèi)的計算設計和制造組;以及威斯康星大學麥迪遜分校、光速工作室和達特茅斯學院的其他人。這項研究將在2022年ACM亞洲SIGGRAPH上發(fā)表。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>整形流體裝置</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>研究人員的優(yōu)化管道從一個空白的三維區(qū)域開始，該區(qū)域被劃分為一個由微小立方體組成的網(wǎng)格。這些3D立方體或體素中的每一個都可以用來形成流體裝置形狀的一部分。</p> <p>&nbsp;</p> <p>將他們的系統(tǒng)與其他優(yōu)化方法區(qū)別開來的一件事是它如何表示或&ldquo;參數(shù)化&rdquo;這些微小的體素。體素被參數(shù)化為各向異性材料，這些材料根據(jù)施加在它們上的力的方向給出不同的響應。例如，木材在垂直于紋理的力作用下就弱得多。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們使用這種各向異性材料模型將體素參數(shù)化為完全固體(就像在設備外部發(fā)現(xiàn)的那樣)、完全液體(設備內(nèi)的流體)以及存在于固體-流體界面的體素(具有固體和液體材料的特性)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當你朝著固體方向前進時，你想要模擬固體的材料特性。但是當你朝著流體的方向，你想要模擬流體的行為。這啟發(fā)了我們使用各向異性材料來表示固體-流體界面。它使我們能夠非常準確地模擬這個區(qū)域的行為。&rdquo;李解釋說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們的計算管道也以不同的方式思考體素。該系統(tǒng)不只是使用體素作為3D構(gòu)建塊，而是可以以非常精確的方式改變每個體素的表面角度并改變其形狀。體素可以形成平滑的曲線，從而實現(xiàn)復雜的設計。</p> <p>&nbsp;</p> <p>一旦他們的系統(tǒng)使用體素形成了一個形狀，它就會模擬流體如何流經(jīng)該設計，并將其與用戶定義的目標進行比較。然后它調(diào)整設計以更好地滿足目標，重復這種模式，直到找到最佳形狀。</p> <p>&nbsp;</p> <p>有了這個設計，用戶可以利用3D打印技術(shù)來制造設備。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>展示設計</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>一旦研究人員創(chuàng)建了這個設計管道，他們就用最先進的方法&mdash;&mdash;參數(shù)優(yōu)化框架&mdash;&mdash;對其進行了測試。這些框架要求設計師事先明確他們認為設備的形狀應該是什么樣的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;一旦你做出了這樣的假設，你所能得到的只是形狀家族中形狀的變化。&rdquo;李說。&ldquo;但我們的框架不需要你做出這樣的假設，因為我們有很高的設計自由度，可以用許多微小的體素來表示這個領(lǐng)域，每個體素都可以改變其形狀。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在每次測試中，他們的框架都優(yōu)于基線，通過創(chuàng)建具有復雜結(jié)構(gòu)的光滑形狀，這些結(jié)構(gòu)可能過于復雜，以至于專家無法提前指定。例如，它自動創(chuàng)建了一個樹形的流體擴散器，將液體從一個大入口輸送到16個小出口，同時繞過設備中間的障礙物。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該管道還產(chǎn)生了一個螺旋槳形狀的裝置，以產(chǎn)生扭曲的液體流動。為了實現(xiàn)這個復雜的形狀，他們的系統(tǒng)自動優(yōu)化了近400萬個變量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我很高興看到我們的管道能夠自動為這種流體扭轉(zhuǎn)器生長一個螺旋槳形狀的設備。這種形狀將驅(qū)動高性能設備。如果你用參數(shù)化形狀框架對目標進行建模，因為它無法生長出如此復雜的形狀，最終的設備就不會表現(xiàn)得那么好。&rdquo;她說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>雖然她對它可以自動生成的各種形狀印象深刻，但李計劃利用更復雜的流體仿真模型來增強系統(tǒng)。這將使管道能夠在更復雜的流程環(huán)境中使用，這將允許它在更復雜的應用程序中使用。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Autodesk research高級研究經(jīng)理Karl Willis說:&ldquo;這項工作有助于解決流體設備自動化和優(yōu)化設計的重要問題，流體設備幾乎無處不在。&rdquo;他沒有參與這項研究。&ldquo;它讓我們離生成式設計工具更近了一步，既可以減少所需的人類設計周期，又可以生成優(yōu)化和更高效的新設計。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項研究得到了美國國家科學基金會和國防高級研究計劃局的部分支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學態(tài)度觀點。</p> </blockquote>