借助新的、用戶友好的介面，研究人員可以快速設計許多具有獨特機械性能的細胞超材料結構。工程師不斷尋找具有新穎、理想的性能組合的材料。例如，超強輕質材料可用於使飛機和汽車更加節能，或多孔且生物力學友善的材料可用於骨植入物。

麻省理工學院和奧地利科學技術研究所的研究人員創建了一種技術，將許多不同的細胞超材料構建塊納入一個統一的基於圖形的表示中。他們使用這種表示創建了一個用戶友好的介面，工程師可以利用該介面快速輕鬆地對超材料建模、編輯結構並模擬其屬性。圖片來源：圖片由Liane Makatura、Bohan Wang、Bolei Deng 和Wojciech Matusik 提供

細胞超材料——由以各種模式重複的單元或細胞組成的人造結構——可以幫助實現這些目標。但很難知道哪種細胞結構會產生所需的特性。即使人們關注的是由較小的構件（如互連梁或薄板）組成的結構，也有無數種可能的配置需要考慮。因此，工程師只能手動探索所有假設可能的細胞超材料中的一小部分。

麻省理工學院和奧地利科學技術研究所的研究人員開發了一種計算技術，使用戶可以更輕鬆地從任何較小的構建塊中快速設計超材料單元，然後評估所得超材料的特性。

他們的方法就像超材料的專用CAD（電腦輔助設計）系統一樣，讓工程師可以快速對非常複雜的超材料進行建模，並對可能需要數天時間才能開發的設計進行實驗。使用者友善的介面還使用戶能夠探索潛在超材料形狀的整個空間，因為所有構建塊都可以使用。

「我們提出了一種表示方法，可以涵蓋工程師傳統上感興趣的所有不同形狀。因為你可以用相同的方式建造它們，這意味著你可以在它們之間更流暢地切換，」麻省理工學院電機工程與電腦科學說研究生Liane Makatura，該技術論文的共同主要作者。

Makatura 與麻省理工學院博士後Bohan Wang 共同撰寫了這篇論文。Yi-Lu Chen，奧地利科學技術研究所（ISTA）研究生； Bolei Deng，麻省理工學院博士後； ISTA 教授Chris Wojtan 和Bernd Bickel；資深作者 Wojciech Matusik 是麻省理工學院電機工程和電腦科學教授，領導麻省理工學院電腦科學和人工智慧實驗室的計算設計和製造小組。該研究將在SIGGRAPH 上展示。

統一方法

當科學家開發細胞超材料時，她通常會先選擇一種用於描述其潛在設計的表示形式。此選擇決定了可用於探索的形狀集。例如，她可能會選擇一種使用許多互連梁來表示超材料的技術。然而，這阻止了她探索基於其他元素的超材料，例如薄板或球體等3D 結構。這些形狀由不同的表示形式給出，但到目前為止，還沒有一種統一的方法來用一種方法描述所有形狀。

「透過提前選擇特定的子空間，你會限制你的探索並引入基於你的直覺的偏見。 雖然這可能很有用，但直覺可能是不正確的，並且對於您的特定應用來說，其他一些形狀也可能值得探索，」Makatura 說。

她和她的合作者退後一步，仔細研究了不同的超材料。他們發現構成整體結構的形狀可以很容易地用低維形狀來表示——梁可以簡化為線，或者薄殼可以壓縮為平坦的表面。

他們還注意到，細胞超材料通常具有對稱性，因此只需要表示結構的一小部分。其餘部分可以透過旋轉和鏡像最初的部分來建造。「透過結合這兩個觀察結果，我們得出了這樣的想法：細胞超材料可以很好地表示為圖形結構，」她說。

透過基於圖形的表示，使用者可以使用由頂點和邊創建的構建塊來建立超材料骨架。例如，要建立梁結構，需要在樑的每個端點放置一個頂點，並用一條線將它們連接起來。然後，使用者使用該線上的函數來指定樑的厚度，該厚度可以變化，以便樑的一部分比另一部分厚。

曲面的過程類似- 使用者用頂點標記最重要的特徵，然後選擇一個求解器來推斷曲面的其餘部分。這些易於使用的求解器甚至允許使用者快速建立高度複雜的超材料，稱為三週期最小表面（TPMS）。這些結構非常強大，但開發它們的通常過程是艱鉅的並且容易失敗。

「透過我們的展示，您還可以開始組合這些形狀。 也許同時包含TPMS 結構和梁結構的單元可以為您提供有趣的特性。 但到目前為止，這些組合還沒有得到任何程度的探索，」她說。

在這個過程結束時，系統輸出整個基於圖形的過程，顯示使用者為達到最終結構而採取的每項操作- 所有頂點、邊、解算器、變換和加厚操作。

在使用者介面中，設計人員可以在建置過程中的任何點預覽目前結構，並直接預測某些屬性，例如其剛度。然後，使用者可以迭代地調整一些參數並再次評估，直到達到合適的設計。

研究人員使用他們的系統重新創建了跨越許多獨特類別的超材料的結構。一旦他們設計好骨架，每個超材料結構只需幾秒鐘即可生成。

他們還創建了自動探索演算法，為每個演算法提供了一套規則，然後在他們的系統中將其放開。在一項測試中，演算法在大約一小時內返回了1000 多個潛在的基於桁架的結構。

此外，研究人員還對10 名幾乎沒有超材料建模經驗的人進行了一項用戶研究。使用者能夠成功地對他們給出的所有六種結構進行建模，並且大多數人都認為程式圖表示使過程變得更容易。

「我們的代表讓人們更容易接觸到各種結構。我們對用戶生成TPMS 的能力感到特別滿意。 即使對於專家來說，這些複雜的結構通常也很難生成。 儘管如此，我們研究中的一種TPMS 在所有六種結構中具有最低的平均建模時間，這令人驚訝且令人興奮，」她說。

未來，研究人員希望透過結合更複雜的骨骼增厚程序來增強他們的技術，以便該系統可以模擬更廣泛的形狀。他們還想繼續探索自動生成演算法的使用。

從長遠來看，他們希望使用該系統進行逆向設計，其中指定所需的材料屬性，然後使用演算法來找到最佳的超材料結構。