Oprogramowanie symulacyjne i trójwymiarowe szkielety mikrostruktury mogą zautomatyzować projektowanie materiałów

Teraz ci sami członkowie zespołu - profesor nadzwyczajny elektrotechniki i informatyki Wojciech Matusik, absolwent elektrotechniki i informatyki Desai Chen oraz studenci postdok Mélina Skouras i Bo Zhu w grupie Matusika - opracowali nowe podejście do automatyzacji projektowania materiałów, wykorzystując swoje poprzednie badania jako punkt wyjścia.

Naukowcy zajmujący się materiałami od dawna inspirowali się światem przyrody, cechami inżynierii odwrotnej, takimi jak wytrzymałość muszli, aby określić mikrostrukturę materiału przed rozpoczęciem pracy zrobić z materiałów stworzonych przez człowieka. Nowe podejście zespołu CSAIL wymienia pożądane właściwości materiału, a struktura 3D jest następnie generowana w systemie komputerowym, który umieszcza projekt mikrostruktury na czymś, co CSAIL określa jako "znacznie bezpieczniejszą podstawę empiryczną".

zespół opublikował artykuł na temat ich wyników, zatytułowany "Computational Discovery of Extremal Microstructure Families", w czasopiśmie Science Advances; Chen jest pierwszym autorem.

Streszczenie brzmi: "Nowoczesne techniki wytwarzania, takie jak produkcja dodatków, mogą być wykorzystywane do tworzenia materiałów o złożonych niestandardowych strukturach wewnętrznych. Te zaprojektowane materiały wykazują znacznie szerszy zakres właściwości masy niż ich materiały podstawowe i są zwykle określane jako metamateriały lub mikrostruktury. Chociaż metamateriały o niezwykłych właściwościach mają wiele zastosowań, projektowanie ich jest bardzo trudne i zwykle odbywa się ręcznie. Proponujemy podejście obliczeniowe do automatycznego wykrywania rodzin mikrostruktur o ekstremalnych właściwościach makroskalowych. Korzystając z wydajnych technik symulacji i próbkowania, obliczamy przestrzeń właściwości mechanicznych pokrytych fizycznie wykonalnymi mikrostrukturami. Nasz system następnie skupia mikrostruktury z powszechnymi topologiami w rodzinach. Sparametryzowane szablony są ostatecznie wyodrębniane z rodzin w celu generowania nowych projektów mikrostruktury. Pokazujemy te możliwości na projektowaniu mechanicznych metamateriałów i przedstawiamy pięć auksetycznych rodzin mikrostrukturalnych o ekstremalnie elastycznych właściwościach materiałowych. "

Projektanci używający tego nowego systemu mogą numerycznie określić właściwości, które chcą dla swoich materiałów, i to automatycznie wygenerować mikrostrukturę 3D, która pasuje. Zespół opisuje produkcję mikrostruktur z optymalnymi kompromisami między trzema właściwościami mechanicznymi w swoich papierach, ale Matusik twierdzi, że podejście jestadaptowalne.

"Zrobiliśmy to dla względnie prostych właściwości mechanicznych, ale można go zastosować do bardziej złożonych właściwości mechanicznych, lub można go zastosować do kombinacji właściwości termicznych, mechanicznych, optycznych i elektromagnetycznych. Zasadniczo jest to całkowicie zautomatyzowany proces odkrywania optymalnych rodzin konstrukcji dla metamateriałów "- wyjaśnił Matusik.

W zeszłorocznych badaniach zespół wygenerował modele komputerowe mikrostruktur i zdobył je za pomocą oprogramowania symulacyjnego, zgodnie z pomiarami kilka właściwości mechanicznych. Zbudowali chmurę punktów (określoną przez każdy wynik), a każdy odpowiadał mikrostrukturze. Następnie zawierały gęstą chmurę na obliczonej powierzchni granicznej, a pobliskie punkty reprezentowały dobre kompromisy między właściwościami.

W tym momencie nowe badania zespołu podniosły się i podobieństwa między mikrostrukturami, stosując standardowe miary, które odpowiadają punktom granicznym. Następnie ich oprogramowanie skupia mikrostruktury o podobnych geometriach w oparciu o te pomiary.

Podstawowy kształt 3D współdzielony przez mikrostruktury, zwany szkieletem, jest wyodrębniany dla każdego klastra z oprogramowania. Dokonując drobnych poprawek w szkielecie, a także budując pudła wokół jego segmentów, oprogramowanie próbuje odtworzyć mikrostruktury: w zasadzie wymyśla matematyczną formułę do rekonstrukcji każdego z nich w klastrze

Techniki uczenia maszynowego są wykorzystywane do odkrywania korelacji między wartościami zmiennych a mierzonymi właściwościami mikrostruktur, które pomagają systemowi w tłumaczeniu mikrostruktur i ich właściwości.

Według Matusik prawie na każdym etapie procesu, w tym grupowaniu, ekstrakcji szkieletu , a wyprowadzanie formuł jest zautomatyzowane. Ale system można również sparować z obecnymi podejściami do projektowania materiałów i tak czy inaczej mogłoby to być początkiem eksploracji możliwości projektowych.

Matusik powiedział: "Możesz wrzucić to do wiadra z próbnikiem. Gwarantujemy więc, że jesteśmy co najmniej tak dobrzy jak cokolwiek innego, co zostało zrobione wcześniej. "

Jedną z części analizy, która nie jest zautomatyzowana, jest identyfikacja fizycznych mechanizmów decydujących o właściwościach mikrostruktury: gdy szkielety z różnych rodzin mikrostruktury były dostępne, naukowcy byli w stanie dowiedzieć się, w jaki sposób reagują na siły fizyczne. Ale ChenPowiedział, że nawet ten aspekt może być ostatecznie zautomatyzowany, ponieważ oprogramowanie symulacyjne może określić, które elementy strukturalne ulegną deformacji najbardziej pod wpływem ciśnienia fizycznego.