Với giao diện mới, thân thiện với người dùng, các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng thiết kế nhiều cấu trúc siêu vật liệu tế bào với các đặc tính cơ học độc đáo. Các kỹ sư không ngừng tìm kiếm các vật liệu có sự kết hợp các đặc tính mới, đáng mơ ước. Ví dụ, vật liệu siêu nhẹ có thể được sử dụng để chế tạo máy bay và ô tô tiết kiệm nhiên liệu hơn hoặc vật liệu xốp và thân thiện với cơ sinh học có thể được sử dụng trong cấy ghép xương.
Siêu vật liệu tế bào – cấu trúc nhân tạo bao gồm các đơn vị hoặc tế bào lặp lại theo nhiều mẫu khác nhau – có thể giúp đạt được những mục tiêu này. Nhưng thật khó để biết cấu trúc tế bào nào sẽ tạo ra những đặc tính mong muốn. Ngay cả khi người ta tập trung vào các kết cấu bao gồm các bộ phận nhỏ hơn như các dầm hoặc tấm liên kết với nhau, vẫn có vô số cách sắp xếp có thể xem xét. Kết quả là, các kỹ sư chỉ có thể khám phá thủ công một phần nhỏ của tất cả các siêu vật liệu tế bào được cho là có thể có.
Các nhà nghiên cứu tại MIT và Viện Khoa học và Công nghệ Áo đã phát triển một kỹ thuật tính toán giúp người dùng dễ dàng thiết kế nhanh chóng các đơn vị siêu vật liệu từ bất kỳ khối xây dựng nhỏ hơn nào và sau đó đánh giá các đặc tính của siêu vật liệu thu được.
Phương pháp tiếp cận của họ hoạt động giống như một hệ thống CAD (thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính) chuyên dụng dành cho siêu vật liệu, cho phép các kỹ sư nhanh chóng lập mô hình siêu vật liệu rất phức tạp và tiến hành thử nghiệm trên các thiết kế có thể mất nhiều ngày để phát triển. Giao diện thân thiện với người dùng cũng cho phép người dùng khám phá toàn bộ không gian của các hình dạng siêu vật liệu tiềm năng vì tất cả các khối xây dựng đều có sẵn.
“Chúng tôi đã đề xuất một biểu diễn bao gồm tất cả các hình dạng khác nhau mà các kỹ sư thường quan tâm. Bởi vì bạn có thể chế tạo chúng theo cùng một cách, điều đó có nghĩa là bạn có thể chuyển đổi giữa chúng một cách linh hoạt hơn,” Liane Makatura, đồng tác giả của bài báo kỹ thuật, cho biết.
Makatura là đồng tác giả của bài báo với postdoc Bohan Wang của MIT. Yi-Lu Chen, nghiên cứu sinh tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA); Bolei Đặng, một postdoc tại MIT; giáo sư ISTA Chris Wojtan và Bernd Bickel; và tác giả cấp cao Wojciech Matusik, giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính tại MIT, người đứng đầu Nhóm Chế tạo và Thiết kế Tính toán tại Phòng thí nghiệm Khoa học Máy tính và Trí tuệ Nhân tạo MIT. Nghiên cứu sẽ được trình bày tại SIGGRAPH.
Phương pháp thống nhất
Khi một nhà khoa học phát triển siêu vật liệu tế bào, trước tiên cô ấy thường chọn một đại diện để mô tả thiết kế tiềm năng của nó. Lựa chọn này xác định tập hợp các hình dạng có sẵn để khám phá. Ví dụ, cô ấy có thể chọn một kỹ thuật sử dụng nhiều chùm tia liên kết với nhau để biểu diễn siêu vật liệu. Tuy nhiên, điều này đã ngăn cản cô khám phá siêu vật liệu dựa trên các nguyên tố khác, chẳng hạn như các tấm mỏng hoặc cấu trúc 3D như hình cầu. Những hình dạng này được đưa ra bởi những cách biểu diễn khác nhau, nhưng cho đến nay vẫn chưa có cách thống nhất để mô tả tất cả các hình dạng theo một cách.
"Bằng cách chọn trước một không gian con cụ thể, bạn sẽ hạn chế khả năng khám phá của mình và đưa ra những thành kiến dựa trên trực giác của mình. Mặc dù điều này có thể hữu ích nhưng trực giác có thể không chính xác và một số hình dạng khác có thể đáng để khám phá cho ứng dụng cụ thể của bạn," Makatura nói.
Cô và các cộng tác viên của mình đã lùi lại một bước và xem xét kỹ hơn các siêu vật liệu khác nhau. Họ phát hiện ra rằng các hình dạng tạo nên cấu trúc tổng thể có thể dễ dàng được biểu diễn bằng các hình dạng có chiều thấp - các chùm tia có thể được giảm xuống thành các đường hoặc lớp vỏ mỏng có thể được nén thành các bề mặt phẳng.
Họ cũng lưu ý rằng siêu vật liệu tế bào thường có sự đối xứng nên chỉ cần thể hiện một phần nhỏ cấu trúc. Phần còn lại có thể được xây dựng bằng cách xoay và phản chiếu phần ban đầu. Cô nói: “Bằng cách kết hợp hai quan sát này, chúng tôi đi đến ý tưởng rằng siêu vật liệu tế bào có thể được biểu diễn tốt dưới dạng cấu trúc đồ họa”.
Với cách biểu diễn dựa trên biểu đồ, người dùng có thể xây dựng các bộ xương siêu vật liệu bằng cách sử dụng các khối xây dựng được tạo từ các đỉnh và cạnh. Ví dụ, để tạo cấu trúc dầm, bạn đặt một đỉnh ở mỗi đầu của dầm và nối chúng bằng một đường thẳng. Sau đó, người dùng sử dụng chức năng trên dòng này để chỉ định độ dày của dầm, độ dày này có thể thay đổi sao cho phần này của dầm dày hơn phần khác.
Quy trình này tương tự đối với các bề mặt - người dùng đánh dấu các đặc điểm quan trọng nhất bằng các đỉnh rồi chọn một bộ giải để suy ra phần còn lại của bề mặt. Những bộ giải dễ sử dụng này thậm chí còn cho phép người dùng nhanh chóng xây dựng các siêu vật liệu có độ phức tạp cao được gọi là bề mặt tối thiểu ba cực (TPMS). Những cấu trúc này rất mạnh mẽ, nhưng quá trình phát triển chúng thông thường rất khó khăn và dễ bị thất bại.
"Với phần trình diễn của chúng tôi, bạn cũng có thể bắt đầu kết hợp những hình dạng này. Có lẽ các phần tử chứa cả cấu trúc TPMS và cấu trúc chùm tia có thể mang lại cho bạn những đặc tính thú vị. Nhưng cho đến nay, những sự kết hợp này vẫn chưa được khám phá ở bất kỳ mức độ nào," cô nói.
Khi kết thúc quá trình, hệ thống sẽ xuất ra toàn bộ quy trình dựa trên biểu đồ, hiển thị mọi thao tác mà người dùng đã thực hiện để đi đến cấu trúc cuối cùng - tất cả các đỉnh, cạnh, bộ giải, phép biến đổi và thao tác làm dày.
Trong giao diện người dùng, nhà thiết kế có thể xem trước cấu trúc hiện tại tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình xây dựng và dự đoán trực tiếp một số thuộc tính nhất định, chẳng hạn như độ cứng của nó. Sau đó, người dùng có thể điều chỉnh lặp đi lặp lại một số thông số và đánh giá lại cho đến khi đạt được thiết kế phù hợp.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng hệ thống của họ để tái tạo cấu trúc của siêu vật liệu trên nhiều lớp độc đáo. Sau khi họ thiết kế bộ xương, mỗi cấu trúc siêu vật liệu chỉ mất vài giây để tạo ra.
Họ cũng tạo ra các thuật toán khám phá tự động, đặt cho mỗi thuật toán một bộ quy tắc và sau đó cho phép chúng đi vào hệ thống của họ. Trong một thử nghiệm, thuật toán trả về hơn 1.000 cấu trúc dựa trên giàn tiềm năng trong khoảng một giờ.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã tiến hành một nghiên cứu người dùng với 10 người có ít hoặc không có kinh nghiệm lập mô hình siêu vật liệu. Người dùng đã có thể mô hình hóa thành công tất cả sáu cấu trúc mà họ được cung cấp và hầu hết đều đồng ý rằng việc trình bày sơ đồ chương trình giúp quá trình này trở nên dễ dàng hơn.
"Đại diện của chúng tôi tạo ra nhiều cấu trúc dễ tiếp cận hơn. Chúng tôi đặc biệt hài lòng với khả năng tạo TPMS cho người dùng. Những cấu trúc phức tạp này thường khó tạo, ngay cả đối với các chuyên gia. Tuy nhiên, một TPMS trong nghiên cứu của chúng tôi có thời gian lập mô hình trung bình thấp nhất trong cả sáu cấu trúc, điều này thật đáng ngạc nhiên và thú vị", cô nói.
Trong tương lai, các nhà nghiên cứu hy vọng sẽ nâng cao kỹ thuật của họ bằng cách kết hợp các quy trình làm dày xương phức tạp hơn để hệ thống có thể mô phỏng nhiều hình dạng hơn. Họ cũng muốn tiếp tục khám phá việc sử dụng các thuật toán được tạo tự động.
Về lâu dài, họ hy vọng sẽ sử dụng hệ thống cho thiết kế nghịch đảo, trong đó các đặc tính vật liệu mong muốn được chỉ định và sau đó sử dụng thuật toán để tìm ra cấu trúc siêu vật liệu tối ưu.