<p>內(nèi)燃機(jī)、螺旋槳和液壓泵都是流體裝置的例子&mdash;&mdash;利用流體來(lái)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(fù)雜，它們通常由經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師開(kāi)發(fā)，他們通過(guò)昂貴、耗時(shí)和勞動(dòng)密集型的迭代過(guò)程手動(dòng)設(shè)計(jì)、原型和測(cè)試每個(gè)設(shè)備。但在新系統(tǒng)中，用戶只需要指定流體進(jìn)入和退出設(shè)備的位置和速度，計(jì)算管道就會(huì)自動(dòng)生成實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該系統(tǒng)可以使設(shè)計(jì)各種應(yīng)用的流控設(shè)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(shí)驗(yàn)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(kāi)發(fā)了計(jì)算工具來(lái)簡(jiǎn)化手工設(shè)計(jì)過(guò)程，但這些技術(shù)都有局限性。有些要求設(shè)計(jì)師提前指定設(shè)備的形狀，而另一些則使用被稱為體素的3D立方體來(lái)表示形狀，結(jié)果是四四方方的無(wú)效設(shè)計(jì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由麻省理工學(xué)院和其他地方的研究人員開(kāi)發(fā)的計(jì)算技術(shù)克服了這些缺陷。他們的設(shè)計(jì)優(yōu)化框架不需要用戶對(duì)設(shè)備應(yīng)該是什么樣子做出假設(shè)。而且，在優(yōu)化過(guò)程中，設(shè)備的形狀會(huì)自動(dòng)演變?yōu)槠交?，而不是塊狀的，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(fù)雜的形狀。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;現(xiàn)在你可以在計(jì)算管道中無(wú)縫地完成所有這些步驟。有了我們的系統(tǒng)，你可能會(huì)創(chuàng)造出更好的設(shè)備，因?yàn)槟憧梢蕴剿鲝奈从萌斯し椒ㄑ芯窟^(guò)的新設(shè)計(jì)。也許有一些形狀還沒(méi)有被專家探索過(guò)。&rdquo;電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)研究生李一飛說(shuō)，她是一篇詳細(xì)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(lái)平滑地生成流體擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將液體從一個(gè)大開(kāi)口引導(dǎo)到16個(gè)小開(kāi)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(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室(CSAIL)博士后，現(xiàn)任清華大學(xué)助理教授;高級(jí)作者Wojciech Matusik，電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)教授，領(lǐng)導(dǎo)CSAIL內(nèi)的計(jì)算設(shè)計(jì)和制造組;以及威斯康星大學(xué)麥迪遜分校、光速工作室和達(dá)特茅斯學(xué)院的其他人。這項(xiàng)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(gè)空白的三維區(qū)域開(kāi)始，該區(qū)域被劃分為一個(gè)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(gè)都可以用來(lái)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(kāi)來(lái)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(yīng)。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(shè)備外部發(fā)現(xiàn)的那樣)、完全液體(設(shè)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(dāng)你朝著固體方向前進(jìn)時(shí)，你想要模擬固體的材料特性。但是當(dāng)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(lái)表示固體-流體界面。它使我們能夠非常準(zhǔn)確地模擬這個(gè)區(qū)域的行為。&rdquo;李解釋說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>他們的計(jì)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(gè)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的設(shè)計(jì)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>一旦他們的系統(tǒng)使用體素形成了一個(gè)形狀，它就會(huì)模擬流體如何流經(jīng)該設(shè)計(jì)，并將其與用戶定義的目標(biāo)進(jìn)行比較。然后它調(diào)整設(shè)計(jì)以更好地滿足目標(biāo)，重復(fù)這種模式，直到找到最佳形狀。</p> <p>&nbsp;</p> <p>有了這個(gè)設(shè)計(jì)，用戶可以利用3D打印技術(shù)來(lái)制造設(shè)備。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>展示設(shè)計(jì)</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>一旦研究人員創(chuàng)建了這個(gè)設(shè)計(jì)管道，他們就用最先進(jìn)的方法&mdash;&mdash;參數(shù)優(yōu)化框架&mdash;&mdash;對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。這些框架要求設(shè)計(jì)師事先明確他們認(rèn)為設(shè)備的形狀應(yīng)該是什么樣的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;一旦你做出了這樣的假設(shè)，你所能得到的只是形狀家族中形狀的變化。&rdquo;李說(shuō)。&ldquo;但我們的框架不需要你做出這樣的假設(shè)，因?yàn)槲覀冇泻芨叩脑O(shè)計(jì)自由度，可以用許多微小的體素來(lái)表示這個(gè)領(lǐng)域，每個(gè)體素都可以改變其形狀。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>在每次測(cè)試中，他們的框架都優(yōu)于基線，通過(guò)創(chuàng)建具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的光滑形狀，這些結(jié)構(gòu)可能過(guò)于復(fù)雜，以至于專家無(wú)法提前指定。例如，它自動(dòng)創(chuàng)建了一個(gè)樹形的流體擴(kuò)散器，將液體從一個(gè)大入口輸送到16個(gè)小出口，同時(shí)繞過(guò)設(shè)備中間的障礙物。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該管道還產(chǎn)生了一個(gè)螺旋槳形狀的裝置，以產(chǎn)生扭曲的液體流動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)復(fù)雜的形狀，他們的系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化了近400萬(wàn)個(gè)變量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我很高興看到我們的管道能夠自動(dòng)為這種流體扭轉(zhuǎn)器生長(zhǎng)一個(gè)螺旋槳形狀的設(shè)備。這種形狀將驅(qū)動(dòng)高性能設(shè)備。如果你用參數(shù)化形狀框架對(duì)目標(biāo)進(jìn)行建模，因?yàn)樗鼰o(wú)法生長(zhǎng)出如此復(fù)雜的形狀，最終的設(shè)備就不會(huì)表現(xiàn)得那么好。&rdquo;她說(shuō)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>雖然她對(duì)它可以自動(dòng)生成的各種形狀印象深刻，但李計(jì)劃利用更復(fù)雜的流體仿真模型來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)。這將使管道能夠在更復(fù)雜的流程環(huán)境中使用，這將允許它在更復(fù)雜的應(yīng)用程序中使用。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Autodesk research高級(jí)研究經(jīng)理Karl Willis說(shuō):&ldquo;這項(xiàng)工作有助于解決流體設(shè)備自動(dòng)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要問(wèn)題，流體設(shè)備幾乎無(wú)處不在。&rdquo;他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。&ldquo;它讓我們離生成式設(shè)計(jì)工具更近了一步，既可以減少所需的人類設(shè)計(jì)周期，又可以生成優(yōu)化和更高效的新設(shè)計(jì)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和國(guó)防高級(jí)研究計(jì)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(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>