供稿人：鄭譽、連芩 供稿單位：西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-01-31
設(shè)計和打印具有可定制架構(gòu)的超材料能夠超越其組成材料，實現(xiàn)前所未有的機械行為。然而，由于多設(shè)計目標(biāo)、非線性行為和工藝相關(guān)制造誤差的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有的超材料逆設(shè)計方法尚未成熟，無法獲得全部的期望行為。弗吉尼亞理工大學(xué)Chan等[1]開發(fā)了一種快速逆設(shè)計方法，利用生成式機器學(xué)習(xí)和增材制造方法，可以創(chuàng)建幾乎所有可能的單軸壓應(yīng)力——應(yīng)變曲線，打印出具有定制機械特性的超材料。
該快速逆設(shè)計方法的原理如圖1所示：利用逆向和代理正向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（NN）模型，輸入用戶自定義的單軸壓縮應(yīng)力——應(yīng)變曲線和制造參數(shù)，輸出一組最佳設(shè)計參數(shù)來描述一個晶格設(shè)計。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，該團隊開發(fā)了一系列晶格單元，能夠在單調(diào)和循環(huán)壓縮載荷下捕獲不同的曲線形狀，涵蓋了晶格的廣泛力學(xué)行為。這些單元作為構(gòu)建塊，用于創(chuàng)建兩種不同（柔性和脆性）聚合物基礎(chǔ)材料區(qū)分的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集。機器學(xué)習(xí)管道從中學(xué)習(xí)各種機械行為、拓撲結(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)制造誤差之間的關(guān)系，并生成復(fù)制目標(biāo)應(yīng)力——應(yīng)變曲線的可打印晶格。這種方法允許創(chuàng)建具有完全可定制的機械性能的材料，同時考慮了制造過程誤差和非線性行為。
圖1 基于機器學(xué)習(xí)的快速逆設(shè)計方法
圖2 設(shè)計空間、可繪制的應(yīng)力——應(yīng)變曲線路徑和結(jié)構(gòu)單元及實驗設(shè)計驗證
為了證明設(shè)計過程的可定制性，該團隊通過圖形化剪裁從商業(yè)中底測量的應(yīng)力——應(yīng)變曲線來反向設(shè)計鞋中底，以提高運動性能。中底在不同的載荷水平下被劃分為四個部分，并通過裁剪基線曲線來創(chuàng)建每個部分的目標(biāo)應(yīng)力——應(yīng)變曲線，以最大限度地提高運行推進力和緩沖。量身定制的中底包括堅硬但舒適的腳趾部分，更堅固和更高的推進前足部分，以及更硬但能量耗散的后跟部分。根據(jù)基材應(yīng)變率與力學(xué)性能的尺度關(guān)系對目標(biāo)曲線進行縮放，利用準靜態(tài)訓(xùn)練數(shù)據(jù)對運行場景下的動態(tài)響應(yīng)進行反設(shè)計。該鞋中底結(jié)構(gòu)逆設(shè)計如圖3所示。
圖3 一種鞋中底結(jié)構(gòu)逆設(shè)計證明應(yīng)力——應(yīng)變曲線的可剪裁性
該團隊的快速逆設(shè)計方法代表了逆向設(shè)計滿足規(guī)定但具有復(fù)雜性為材料的起點，該方法有可能繞過迭代的設(shè)計制造周期，為可定制機械特性的超材料開發(fā)開創(chuàng)了道路。