不按常理出牌，這款3D打印系統(tǒng)可高度“復(fù)制”物品

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(fù)制機(jī)器復(fù)制出一個完全一模一樣的物品,，3D打印機(jī)的出現(xiàn)為這種想法提供了可能。據(jù)悉,，當(dāng)前的3D打印機(jī)分辨率為每英寸600個點(diǎn),，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(shè)計師可以很好的把印刷品的物理性質(zhì)控制得和原物品一樣,，例如擁有相同的密度或強(qiáng)度，或它們在受力時擁有相同的變形方式,。然而,，問題在于現(xiàn)在的傳統(tǒng)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(xué)院的計算機(jī)科學(xué)和人工智能實驗室）的研究人員開發(fā)出了一種新的設(shè)計系統(tǒng),。這個系統(tǒng)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(zhì)進(jìn)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(chǔ)數(shù)據(jù),。該系統(tǒng)不僅利用微觀尺度上的物理測量，同時能夠?qū)�宏觀設(shè)計進(jìn)行有效的計算評估,。

圖丨研究人員用該方法設(shè)計軟爪的微觀結(jié)構(gòu),，當(dāng)他們像握住鉗子一樣像兩側(cè)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(xué)院的計算機(jī)科學(xué)和人工智能實驗室）工作的博士后Bo Zhu表示：“通常來說，人們是不依靠任何系統(tǒng)就可以手工設(shè)計出3D打印模型的,。但當(dāng)你想制造更高難度的作品時,，例如，你想設(shè)計一個剛度超強(qiáng)的椅子,，或者設(shè)計一個功能齊全,、敏捷柔軟的機(jī)器手的時候，人類的直覺或經(jīng)驗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,。因此,，這個論文的重點(diǎn)就是拓?fù)鋬?yōu)化。它包含了物理和仿真在設(shè)計回路中的應(yīng)用,。當(dāng)前拓?fù)鋬?yōu)化的問題是硬件能力和軟件之間存在差距,，我們設(shè)計的這個系統(tǒng)就填缺了這一空白,�,！�

具有微結(jié)構(gòu)的兩尺度拓?fù)鋬?yōu)化

在Siggraph（美國計算機(jī)協(xié)會計算機(jī)繪圖專業(yè)組）上，Zhu和他的同事們把他們的工作成果展現(xiàn)給了大家,。參與他的論文研討的還有電氣工程和計算機(jī)科學(xué)副教授Wojciech Matusik,、Matusik團(tuán)隊的博士后Mélina Skouras和電氣工程和計算機(jī)科學(xué)的研究生Desai Chen。

圖丨CSAIL 博士后 Bo Zhu

這個系統(tǒng)是如何運(yùn)作的呢,？麻省理工學(xué)院的研究人員們首先定義了一個空間的物理性質(zhì)：在這個空間中,，任何給定的微觀結(jié)構(gòu)都會被賦予一個位置。詳細(xì)來說,，判斷一個材料的硬度有三個基準(zhǔn)：

第一,，當(dāng)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(dāng)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(yīng),，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(diǎn),。

在3D打印術(shù)語中，物體被裝配的微觀立方體稱為體素,，它們是數(shù)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(chǔ)數(shù)據(jù),。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(jī)的一組可以3D打印的材料,，它們隨機(jī)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(dāng)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(zhì)，并將其指定為屬性空間中的一個特定點(diǎn),。就以這個方法循序漸進(jìn),，通過隨機(jī)生成新的集群和對屬性已知的集群進(jìn)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(xiàn)出一群點(diǎn)，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(shù)，該函數(shù)可以測量出云的形狀,。這使得研究人員發(fā)明的系統(tǒng)能夠在數(shù)學(xué)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。

圖丨拍動的翅膀的柔軟的機(jī)制通過拓?fù)鋬?yōu)化嵌入到材料中,。翅膀的射線被指定在它的脊柱上,，隨著翅膀的拍上拍下，脊柱也隨之收縮

最后一步是用上述提到的研究人員所開發(fā)的軟件,，來優(yōu)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(shù)據(jù)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(zhǔn)度也非常高。

計算機(jī)科學(xué)助理教授同時也是奧地利科技學(xué)院和研究所的計算機(jī)圖形和數(shù)字制造組組長的Bernd Bickel說道：“能夠發(fā)現(xiàn)物體或材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，并把它們顯眼的功能性特征連同材料特質(zhì)一起復(fù)制下來,，打印出一個幾乎一樣的物品，這個技術(shù)可以廣泛應(yīng)用到許多重要的行業(yè),，例如在汽車,、航空航天等。由于這些物體的結(jié)構(gòu)都十分復(fù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)是一件相當(dāng)棘手的事情,�,！�

“Bo Zhu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，” Bernd Bickel說道,，“他們的系統(tǒng)從小集群的結(jié)構(gòu)開始探索,，并把它放在一個數(shù)據(jù)庫里，而不是像傳統(tǒng)方法那樣,，以一個一個單位來進(jìn)行探索,。利用這些搜集起來的數(shù)據(jù)庫，他們可以粗略地進(jìn)行優(yōu)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(jié)構(gòu),。而且這樣一個復(fù)雜的過程可以只通過普通的計算機(jī)來完成。他們設(shè)計的系統(tǒng)打開了一扇新大門,�,！�

來源：DeepTech深科技