很多人都有過看到一件自己非常喜歡的物品損壞了，想用一臺復制機器復制出一個完全一模一樣的物品，3D打印機的出現為這種想法提供了可能。據悉，當前的3D打印機分辨率為每英寸600個點，這意味著1.67立方英寸的空間里可以裝下十億個不同材料的小立方體。由于3D打印精度很高，使得設計師可以很好的把印刷品的物理性質控制得和原物品一樣，例如擁有相同的密度或強度，或它們在受力時擁有相同的變形方式。然而，問題在于現在的傳統3D打印很難精確展示出原物品的物理特征。
對此，CSAIL（麻省理工學院的計算機科學和人工智能實驗室）的研究人員開發出了一種新的設計系統。這個系統會將很多很多的小立方體看作一個集群，然后把每個集群的物理性質進行分類，這些小分類就像造高樓需要的磚塊一樣，是大型3D打印的基礎數據。該系統不僅利用微觀尺度上的物理測量，同時能夠對宏觀設計進行有效的計算評估。
研究人員用該方法設計軟爪的微觀結構，當他們像握住鉗子一樣像兩側用力時，軟抓的末端就會被擠壓，以至于可以抓住物體。
在CSAIL（麻省理工學院的計算機科學和人工智能實驗室）工作的博士后BoZhu表示：“通常來說，人們是不依靠任何系統就可以手工設計出3D打印模型的。但當你想制造更高難度的作品時，例如，你想設計一個剛度超強的椅子，或者設計一個功能齊全、敏捷柔軟的機器手的時候，人類的直覺或經驗是遠遠不夠的。因此，這個論文的重點就是拓撲優化。它包含了物理和仿真在設計回路中的應用。當前拓撲優化的問題是硬件能力和軟件之間存在差距，我們設計的這個系統就填缺了這一空白。”
具有微結構的兩尺度拓撲優化
在Siggraph（美國計算機協會計算機繪圖專業組）上，Zhu和他的同事們把他們的工作成果展現給了大家。參與他的論文研討的還有電氣工程和計算機科學副教授WojciechMatusik、Matusik團隊的博士后MélinaSkouras和電氣工程和計算機科學的研究生DesaiChen。
這個系統是如何運作的呢？麻省理工學院的研究人員們首先定義了一個空間的物理性質：在這個空間中，任何給定的微觀結構都會被賦予一個位置。詳細來說，判斷一個材料的硬度有三個基準：
第一，當這個物體受到外力時，物體在這個方向上的變形情況，或者說這個物體在多大程度上可以被壓縮或拉伸；
第二，當這個物體受到外力時，與這個方向垂直的方向上，物體的變形情況，或者說這個物體被擠壓時的膨脹和收縮情況；
第三則是測量物體對剪切的反應，或者說，測量那個使物體中不同的材料層互相相對移動的力。
這三種方法定義了一個3D空間，它們的任何組合形式定義了該空間中的一個點。
在3D打印術語中，物體被裝配的微觀立方體稱為體素，它們是數字圖像中像素的3D相似物。他們用這些體素作為基本單位，就像搭建高樓需要的磚塊一樣，這些體素也是大型3D打印的基礎數據。他們在實驗中考慮了三種不同大小的集群——將16個,32個和64個體素分別放到一個面上。對于隨機的一組可以3D打印的材料，它們隨機生成含有不同材料的集群：例如，在集群中心是一個方形的材料A，圍繞該正方形的空白體素的邊界是材料B。當然了，要完成這一步驟的必要條件是，這個集群必須是可打印的。
對于每一個新的集群，研究人員利用物理模擬去評估其物理性質，并將其指定為屬性空間中的一個特定點。就以這個方法循序漸進，通過隨機生成新的集群和對屬性已知的集群進行原則性的修改，整個空間的屬性就被探索完成了。最終，會呈現出一群點，稱為云，它定義了可打印集群的空間。
下一步是計算稱為水平集的函數，該函數可以測量出云的形狀。這使得研究人員發明的系統能夠在數學意義上，確定這些具有特定屬性組合的群集是否可以3D打印。
最后一步是用上述提到的研究人員所開發的軟件，來優化所要打印的圖形。幾十萬個可以3D打印的集群的材料特征，會在這一過程中顯示出來。研究人員的集群數據庫有可能沒有完全一樣的材料，但是有很多非常類似的可以用來模擬原材料，并且其精準度也非常高。
計算機科學助理教授同時也是奧地利科技學院和研究所的計算機圖形和數字制造組組長的BerndBickel說道：“能夠發現物體或材料的內部結構，并把它們顯眼的功能性特征連同材料特質一起復制下來，打印出一個幾乎一樣的物品，這個技術可以廣泛應用到許多重要的行業，例如在汽車、航空航天等。由于這些物體的結構都十分復雜，使用3D打印則有可能會由超過萬億個不同材料的集群組成，因此，人工探索物體材料的內部結構是一件相當棘手的事情。”
“BoZhu和他的同事們正在用一個非常聰明的辦法來解決這個問題，”BerndBickel說道，“他們的系統從小集群的結構開始探索，并把它放在一個數據庫里，而不是像傳統方法那樣，以一個一個單位來進行探索。利用這些搜集起來的數據庫，他們可以粗略地進行優化，并使這個物體能夠高效地生成上萬億個元素的高分辨率的可打印結構。而且這樣一個復雜的過程可以只通過普通的計算機來完成。他們設計的系統打開了一扇新大門。”
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