Упрощение процесса строительства из сложных материалов

Ученые могут быстро создавать множество клеточных метаматериальных структур, обладающих уникальными механическими свойствами.

Метаматериалы представляют собой структуры, представляющие давний интерес, поскольку они придают материалам свойства, которые отличаются от свойств составляющих их базовых материалов. Метаматериалы часто демонстрируют поведение, не встречающееся в природе, например, настраиваемое податливое, киральное, ауксетическое и невзаимное поведение.

Поведение данного метаматериала в первую очередь определяется его ячеистой архитектурой, которая представляет собой регулярное или случайное пространственное расположение твердых областей и пустот, используемых для заполнения определенного объема. Но узнать, какая клеточная структура приведет к желаемым свойствам, сложно. Следовательно, инженеры могут вручную исследовать лишь небольшую часть всех гипотетически возможных клеточных метаматериалов.

Вычислительный метод, созданный исследователями из Массачусетского технологического института и Института науки и технологий Австрии, упрощает пользователям быстрое проектирование ячейки метаматериала из любого из этих более мелких компонентов здания, а затем оценку свойств готового метаматериала.

Их метод, похожий на специализированную систему автоматизированного проектирования (САПР) метаматериалов, позволяет инженеру быстро моделировать даже очень сложные метаматериалы и экспериментировать с конструкциями, на создание которых в противном случае могли бы уйти дни. Поскольку пользователю доступны все необходимые элементы здания, он также может исследовать все пространство потенциальных форм метаматериала благодаря удобному интерфейсу.

Аспирантка Массачусетского технологического института в области электротехники и информатики Лиана Макатура сказала: «Мы придумали представление, которое может охватить все различные формы, к которым традиционно проявляют интерес инженеры. Поскольку вы можете создавать их все одинаково, вы можете переключаться между ними чаще. плавно».

Разработку клеточных метаматериалов ученые обычно начинают с выбора представления, описывающего потенциальные конструкции. Этот выбор определяет набор фигур, которые будут доступны для исследования.

Однако это не позволяет им исследовать метаматериалы на основе других элементов, таких как тонкие пластины или трехмерные структуры, такие как сферы. Эти формы предоставляются посредством различных представлений, но до сих пор не существует единого подхода, который можно было бы использовать для описания всех форм.

Макатура сказал: «Выбирая конкретное подпространство заранее, вы ограничиваете свое исследование и вносите 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».

Ученые сделали шаг назад и внимательно наблюдали за различными метаматериалами. Они увидели, что формы более низких измерений могут описывать формы, составляющие общую структуру; например, балку можно превратить в линию, а тонкую оболочку — в плоскую поверхность.

Они также заметили, что клеточные метаматериалы часто содержат симметрию, что требует представления лишь небольшой части всей структуры. Остальное можно собрать, вращая и зеркально отображая первый компонент.

Объединив эти два наблюдения, учёные пришли к идее, что клеточные метаматериалы могут быть хорошо представлены в виде графовой структуры.

Пользователи создают скелет метаматериала, используя графическое представление с использованием вершин и блоков построения ребер. Например, можно разместить вершину в каждой конечной точке балки и соединить их линией, чтобы построить балочную конструкцию.

Затем толщина балки задается с помощью функции над этой линией, которую пользователь может настроить таким образом, чтобы разные части балки имели разную толщину.

Аналогичные действия применяются и при работе с поверхностями; сначала пользователь отмечает вершины наиболее важных элементов, прежде чем выбрать решение, которое определяет остальную поверхность.

Пользователи также могут быстро построить тройную периодическую минимальную поверхность (TPMS), очень сложный тип метаматериала, используя эти простые в использовании решатели. Эти структуры чрезвычайно сильны, но их типичное развитие может быть более сложным и подверженным ошибкам.