供稿人:鐘琪 田小永 發(fā)布日期：2017-11-29
目前，3D打印機(jī)的分辨率可達(dá)到每厘米240個(gè)打印單元。這意味著我們可以將10億個(gè)不同材質(zhì)的小方塊打印到70立方厘米的體積內(nèi)。如此高精度的分辨率可用于直接控制打印零件的微觀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的物理性能的控制，例如密度、強(qiáng)度、給定作用力下的變形形式。但是，對(duì)于包含數(shù)百億個(gè)打印單元的物體來(lái)說(shuō)，在僅考慮兩種材料分布的前提下，預(yù)先模擬仿真分析并評(píng)估其每一種可能組合的物理性能所需要的計(jì)算量也會(huì)讓人望而卻步。
為此，來(lái)自CSAIL（麻省理工學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能實(shí)驗(yàn)室）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種新的拓?fù)鋬?yōu)化方法，如圖1所示。在該研究中，打印零件是由一個(gè)個(gè)打印單元，也稱(chēng)為體素，堆積而成。
圖1 CSAIL提出的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程圖
研究人員首先演示了微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整是如何調(diào)節(jié)零件物理性能的。微觀結(jié)構(gòu)的調(diào)整是通過(guò)調(diào)節(jié)小立方體集合內(nèi)兩種材料的分布。這兩種材料分別是硬質(zhì)透明樹(shù)脂和柔軟的黑色橡膠材料。該方法對(duì)大量由多個(gè)打印體素構(gòu)成的小立方體集合根據(jù)物理性能進(jìn)行分類(lèi)，如圖2所示。而這些小立方體集合可以作為打印過(guò)程中更大的構(gòu)建單元，如同高樓建造中的磚塊一樣。通過(guò)研究人員開(kāi)發(fā)的雙尺度拓?fù)鋬?yōu)化算法，程序可從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇具有不同材料性能的小立方體集合，自由地設(shè)計(jì)出具有不同功能的零件，并可以預(yù)先進(jìn)行仿真分析評(píng)估。因此，該方法先對(duì)微觀尺度進(jìn)行了實(shí)際的物理測(cè)量，同時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)的支持下對(duì)宏觀設(shè)計(jì)進(jìn)行了高效的仿真分析評(píng)估。
圖2 通過(guò)優(yōu)化獲得的多材料分布模式，具有不同的楊氏模量和泊松比
在CSAIL工作的博士后Bo Zhu，也是這篇論文的第一作者，他說(shuō)：“通常來(lái)說(shuō)，人們是不依靠任何系統(tǒng)就可以手工設(shè)計(jì)出3D打印模型的。但當(dāng)你想制造更高難度的作品時(shí)，例如，你想設(shè)計(jì)一個(gè)剛度超強(qiáng)的椅子，或者設(shè)計(jì)一個(gè)功能齊全、敏捷柔軟的機(jī)器手的時(shí)候，人類(lèi)的直覺(jué)或經(jīng)驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，這個(gè)論文的重點(diǎn)就是拓?fù)鋬?yōu)化。它包含了物理和仿真在設(shè)計(jì)回路中的應(yīng)用。當(dāng)前拓?fù)鋬?yōu)化的問(wèn)題是硬件能力和軟件之間存在差距，我們?cè)O(shè)計(jì)的這個(gè)系統(tǒng)就填缺了這一空白。”
為此，研究人員用該方法設(shè)計(jì)了一種柔性機(jī)器人抓手和其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，如圖3所示。當(dāng)我們像握住鉗子一樣像兩側(cè)用力時(shí)，機(jī)器人抓手的末端就會(huì)被擠壓，可以抓住目標(biāo)物體。
圖3利用拓?fù)鋬?yōu)化算法設(shè)計(jì)的柔性機(jī)器人抓手
研究人員同時(shí)設(shè)計(jì)了一種柔性材料制作的仿生“鰩魚(yú)”，如圖4所示。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化，將扇動(dòng)翅膀的運(yùn)動(dòng)機(jī)制嵌入到材料中。當(dāng)它的脊柱上兩個(gè)端點(diǎn)分別收縮和擴(kuò)張時(shí)，鰩魚(yú)的翅膀就會(huì)上下扇動(dòng)。
圖4 柔性材料制作的“鰩魚(yú)”