Ο «αγωγός» παράγει έναν διαχύτη ρευστού που διοχετεύει υγρό από ένα μεγάλο άνοιγμα σε 16 μικρότερα (Credit: Yifei Li/ MIT CSAIL)
Ένα νέο υπολογιστικό εργαλείο που αναπτύχθηκε από μηχανικούς στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) και αλλού μπορεί να δημιουργήσει αυτόματα βέλτιστα σχέδια για ρευστές συσκευές.
Συμπεριλαμβανομένων των μηχανών εσωτερικής καύσης και των ελίκων και της τεχνολογίας αιχμής, όπως τα μικρορευστοποιητικά «εργαστήρια σε τσιπ» ή τεχνητά όργανα, οι ρευστοποιημένες συσκευές χρησιμοποιούν υγρά για να εκτελέσουν λειτουργίες όπως η παραγωγή ενέργειας ή η μεταφορά νερού.
Επειδή είναι τόσο πολύπλοκες, οι ρευστές συσκευές αναπτύσσονται συνήθως από έμπειρους μηχανικούς που σχεδιάζουν, πρωτοτυπώνουν και δοκιμάζουν χειροκίνητα κάθε συσκευή μέσω μιας επαναληπτικής διαδικασίας που οι ερευνητές περιέγραψαν ως «δαπανηρή, χρονοβόρα και εντατική».
Πρόσφατα, αναπτύχθηκαν υπολογιστικά εργαλεία για την απλοποίηση της διαδικασίας χειροκίνητου σχεδιασμού, αλλά οι ερευνητές είπαν ότι έχουν περιορισμούς. Ορισμένοι απαιτούν από έναν σχεδιαστή να προσδιορίσει εκ των προτέρων το σχήμα της συσκευής, ενώ άλλοι αντιπροσωπεύουν σχήματα χρησιμοποιώντας τρισδιάστατους κύβους, γνωστούς ως voxels, που καταλήγουν σε “κουτιά, αναποτελεσματικά σχέδια”.
Με το νέο σύστημα, οι χρήστες χρειάζεται μόνο να καθορίσουν τη θέση και τις ταχύτητες με τις οποίες το υγρό εισέρχεται και εξέρχεται από μια συσκευή. Ο υπολογιστικός «αγωγός» δημιουργεί στη συνέχεια αυτόματα έναν βέλτιστο σχεδιασμό που επιτυγχάνει αυτούς τους στόχους.
Το σχήμα της συσκευής εξελίσσεται αυτόματα κατά τη βελτιστοποίηση με ομαλά, και όχι μπλοκ, ανακριβή όρια. Αυτό επιτρέπει στο σύστημά τους να δημιουργεί πιο πολύπλοκα σχήματα από άλλες μεθόδους.«Τώρα μπορείτε να κάνετε όλα αυτά τα βήματα απρόσκοπτα σε έναν υπολογιστικό αγωγό. Και με το σύστημά μας, θα μπορούσατε ενδεχομένως να δημιουργήσετε καλύτερες συσκευές, επειδή μπορείτε να εξερευνήσετε νέα σχέδια που δεν έχουν ποτέ διερευνηθεί χρησιμοποιώντας μη αυτόματες μεθόδους. Ίσως υπάρχουν κάποια σχήματα που δεν έχουν διερευνηθεί ακόμα από ειδικούς», είπε ο Yifei Li, ένας μεταπτυχιακός φοιτητής ηλεκτρολόγων μηχανικών και επιστήμης υπολογιστών, ο οποίος είναι ο κύριος συγγραφέας μιας εργασίας που περιγράφει λεπτομερώς το σύστημα.
Ο αγωγός βελτιστοποίησης ξεκινά με μια κενή, τρισδιάστατη περιοχή που έχει χωριστεί σε ένα πλέγμα από μικροσκοπικούς κύβους. Κάθε ένα από αυτά τα voxel μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματίσει μέρος του σχήματος μιας ρευστοποιημένης συσκευής.
Ένα πράγμα που διαχωρίζει το σύστημά τους από άλλες μεθόδους βελτιστοποίησης είναι ο τρόπος με τον οποίο αναπαριστά ή «παραμετροποιεί» τα μικροσκοπικά voxels. Τα voxel παραμετροποιούνται ως ανισότροπα υλικά, τα οποία δίνουν διαφορετικές αποκρίσεις ανάλογα με την κατεύθυνση στην οποία ασκείται δύναμη σε αυτά. Το ξύλο είναι πολύ πιο αδύναμο σε δυνάμεις που ασκούνται κάθετα στον κόκκο, για παράδειγμα.Η ομάδα χρησιμοποίησε αυτό το μοντέλο ανισότροπου υλικού για να παραμετροποιήσει τα voxel ως εντελώς στερεά (όπως το εξωτερικό μιας συσκευής), πλήρως υγρά (το ρευστό μέσα στη συσκευή) και voxels που υπάρχουν στη διεπαφή στερεού-ρευστού, τα οποία έχουν ιδιότητες τόσο στερεού όσο και υγρό υλικό.
Ο υπολογιστικός τους αγωγός σκέφτεται επίσης διαφορετικά τα voxels. Αντί να χρησιμοποιεί μόνο voxel ως δομικά στοιχεία 3D, το σύστημα μπορεί να γωνιάζει την επιφάνεια κάθε voxel και να αλλάζει το σχήμα του με ακριβείς τρόπους. Τα Voxel μπορούν στη συνέχεια να διαμορφωθούν σε ομαλές καμπύλες που επιτρέπουν περίπλοκα σχέδια.
Μόλις το σύστημά τους σχηματίσει ένα σχήμα χρησιμοποιώντας voxels, προσομοιώνει τον τρόπο με τον οποίο το ρευστό ρέει μέσα από αυτό το σχέδιο και το συγκρίνει με τους στόχους που ορίζει ο χρήστης. Στη συνέχεια προσαρμόζει το σχέδιο ώστε να ανταποκρίνεται καλύτερα στους στόχους, επαναλαμβάνοντας αυτό το μοτίβο μέχρι να βρει το βέλτιστο σχήμα. Τα σχέδια θα μπορούσαν στη συνέχεια να εκτυπωθούν σε 3D από τον χρήστη.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την τεχνική για να δημιουργήσουν περίπλοκες δομές για τη μεταφορά υγρών και μια συσκευή σε σχήμα προπέλας για ένα «στρέψτε υγρού».
Ο Li σχεδιάζει να βελτιώσει το σύστημα χρησιμοποιώντας ένα πιο πολύπλοκο μοντέλο προσομοίωσης ρευστού. Αυτό θα επέτρεπε στον αγωγό να χρησιμοποιηθεί σε πιο πολύπλοκα περιβάλλοντα ροής και σε πιο περίπλοκες εφαρμογές.
Αυτή η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ και την Υπηρεσία Προηγμένων Ερευνητικών Προγραμμάτων Άμυνας (Darpa).
Οι συν-συγγραφείς περιλαμβάνουν τον Tao Du, πρώην μεταδιδακτορικό στο Εργαστήριο Επιστήμης Υπολογιστών και Τεχνητής Νοημοσύνης (CSAIL), ο οποίος είναι τώρα επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο Tsinghua, ο ανώτερος συγγραφέας Wojciech Matusik, καθηγητής ηλεκτρολογίας και επιστήμης υπολογιστών στο CSAIL, και άλλοι από το University of Wisconsin στο Madison, LightSpeed Studios και Dartmouth College.
){kind=link}