Конструкционное программирование
механических свойств
материалов.
Инженеры постоянно ищут материалы с желаемыми сочетаниями свойств. Например, сверхпрочный и лёгкий материал можно использовать для повышения топливной экономичности самолётов и автомобилей, а пористый и биомеханически безопасный материал можно использовать для костных имплантатов. Обеспечить достижение этих целей может создание специализированных сотовых метаматериалов.
Метаматериалы представляют собой давно интересующие учёных структуры, поскольку они обладают свойствами, отличающимися от свойств составляющих их исходников. Являясь по сути разнообразным соединением мелкомасштабных мозаичных конструкционных единиц (их называют ячейками, клетками, сотами), эти материалы призваны предоставить инженерам множество таких сочетаний полезных свойств, какие встретить в природе зачастую не представляется возможным. Этой «клеточной архитектурой» и определяется поведение конкретного материала. Однако узнать какая ячеистая структура какими свойствами будет обладать ‒ задача довольно непростая, ведь вручную исследовать все гипотетически возможные комбинации ‒ затея практически невыполнимая.
Поэтому сегодняшнее достижение команды исследователей из Массачусетского технологического института и Института науки и технологий Австрии можно назвать просто мостом через пропасть. Они создали инструмент (вычислительную технику), благодаря которому можно быстро спроектировать ячейку метаматериала из любого более мелкого строительного блока, а затем ‒ и здесь кроется самое приятное! ‒ оценить свойства полученного изделия.
Их подход, как и специализированная система CAD (computer-aided design или автоматизированное проектирование) для метаматериалов, позволяет инженеру быстро моделировать даже очень сложные метаматериалы, на разработку которых в ином случае ушло бы несколько дней, и даже экспериментировать с проектами. Помимо основного назначения, программный инструмент также позволяет исследовать всё пространство потенциальных форм метаматериала.
«Мы придумали представление, которое может охватывать все различные формы, к которым инженеры традиционно проявляли интерес, ‒ рассказывает соавтор работы Лиана Макатура, аспирант факультета электротехники и информатики MIT. ‒ Выбирая конкретное подпространство заранее, вы ограничиваете свои исследования и вводите предвзятость, основанную на вашей интуиции. Хотя это может быть полезно, интуиция может быть неверной, и некоторые другие формы, возможно, также стоит изучить для вашего конкретного применения».
В конце процесса разработки система выводит «скелет» фигуры в виде диаграммы всех составляющих её частей и в любой момент позволяет сделать предварительный просмотр текущей структуры, благодаря чему инженер может напрямую предсказать определённые её свойства ‒ например, жёсткость, ‒ и вернуться для коррекции настроек нужных параметров, чтобы затем снова оценить их. И так до тех пор, пока не будет достигнут подходящий дизайн.
Как показали тесты, системой могут пользоваться не только специалисты, однако, при всей радости, команда и не думает почивать на лаврах. В планах по улучшению техники уже значатся более сложные процедуры для расширения моделируемых форм и самая амбициозная задача: использовать инструмент для обратного проектирования ‒ то есть суметь найти оптимальную структуру метаматериала по целевым свойствам. Но это, по словам учёных, дело весьма отдалённых перспектив.
Что ж, как говорится, ИИ в помощь.
По материалам АРМК.