Mit der neuen, benutzerfreundlichen Oberfläche können Forscher schnell viele zelluläre Metamaterialstrukturen mit einzigartigen mechanischen Eigenschaften entwerfen. Ingenieure sind ständig auf der Suche nach Materialien mit neuartigen, wünschenswerten Eigenschaftskombinationen. Beispielsweise könnten ultrastarke Leichtbaumaterialien verwendet werden, um Flugzeuge und Autos treibstoffeffizienter zu machen, oder poröse und biomechanisch freundliche Materialien könnten in Knochenimplantaten verwendet werden.
Zelluläre Metamaterialien – künstliche Strukturen, die aus Einheiten oder Zellen bestehen, die sich in verschiedenen Mustern wiederholen – könnten dabei helfen, diese Ziele zu erreichen. Es ist jedoch schwer zu wissen, welche Zellstruktur die gewünschten Eigenschaften hervorruft. Selbst wenn man sich auf Strukturen konzentriert, die aus kleineren Elementen wie Verbindungsträgern oder Blechen bestehen, gibt es unzählige mögliche Anordnungen, die in Betracht gezogen werden müssen. Infolgedessen können Ingenieure nur einen Bruchteil aller hypothetisch möglichen zellulären Metamaterialien manuell untersuchen.
Forscher am MIT und am Österreichischen Institut für Wissenschaft und Technologie haben eine Computertechnik entwickelt, die es Benutzern erleichtert, schnell Metamaterialeinheiten aus jedem kleineren Baustein zu entwerfen und dann die Eigenschaften des resultierenden Metamaterials zu bewerten.
Ihr Ansatz funktioniert wie ein spezielles CAD-System (Computer Aided Design) für Metamaterialien und ermöglicht es Ingenieuren, schnell sehr komplexe Metamaterialien zu modellieren und mit Designs zu experimentieren, deren Entwicklung Tage dauern könnte. Die benutzerfreundliche Oberfläche ermöglicht es Benutzern außerdem, den gesamten Raum potenzieller Metamaterialformen zu erkunden, da alle Bausteine verfügbar sind.
„Wir haben eine Darstellung entwickelt, die alle verschiedenen Formen abdeckt, an denen Ingenieure traditionell interessiert sind. Da man sie alle auf die gleiche Weise bauen kann, bedeutet das, dass man flüssiger zwischen ihnen wechseln kann“, sagte Liane Makatura, Doktorandin für Elektrotechnik und Informatik am MIT, Co-Hauptautorin des Fachartikels.
Makatura war Co-Autor des Artikels zusammen mit MIT-Postdoc Bohan Wang. Yi-Lu Chen, Doktorandin am Institute of Science and Technology Austria (ISTA); Bolei Deng, Postdoc am MIT; ISTA-Professoren Chris Wojtan und Bernd Bickel; und der leitende Autor Wojciech Matusik, Professor für Elektrotechnik und Informatik am MIT, der die Computational Design and Fabrication Group am MIT-Labor für Informatik und künstliche Intelligenz leitet. Die Forschung wird bei SIGGRAPH vorgestellt.
einheitlicher Ansatz
Wenn ein Wissenschaftler ein zelluläres Metamaterial entwickelt, wählt er normalerweise zunächst eine Darstellung aus, die sein mögliches Design beschreibt. Diese Auswahl bestimmt den Satz an Formen, die zur Erkundung verfügbar sind. Beispielsweise könnte sie eine Technik wählen, die viele miteinander verbundene Strahlen verwendet, um das Metamaterial darzustellen. Dies hinderte sie jedoch daran, Metamaterialien zu erforschen, die auf anderen Elementen wie dünnen Platten oder 3D-Strukturen wie Kugeln basieren. Diese Formen werden durch unterschiedliche Darstellungen gegeben, aber bisher gibt es keine einheitliche Möglichkeit, alle Formen auf eine Weise zu beschreiben.
„Indem Sie im Voraus einen bestimmten Unterraum auswählen, schränken Sie Ihre Erkundung ein und führen eine Voreingenommenheit ein, die auf Ihrer Intuition basiert. Dies kann zwar nützlich sein, die Intuition kann jedoch falsch sein, und einige andere Formen können für Ihre spezielle Anwendung eine Erkundung wert sein“, sagte Makatura.
Sie und ihre Mitarbeiter traten einen Schritt zurück und schauten sich verschiedene Metamaterialien genauer an. Sie fanden heraus, dass die Formen, aus denen die Gesamtstruktur besteht, leicht durch niedrigdimensionale Formen dargestellt werden können – Balken können auf Linien reduziert werden oder dünne Schalen können zu flachen Oberflächen komprimiert werden.
Sie stellen außerdem fest, dass zelluläre Metamaterialien häufig Symmetrien aufweisen, sodass nur ein kleiner Teil der Struktur dargestellt werden muss. Der Rest kann durch Drehen und Spiegeln des Ausgangsstücks aufgebaut werden. „Durch die Kombination dieser beiden Beobachtungen kamen wir zu der Idee, dass zelluläre Metamaterialien gut als grafische Strukturen dargestellt werden können“, sagte sie.
Durch eine graphbasierte Darstellung können Benutzer Metamaterialskelette mithilfe von Bausteinen konstruieren, die aus Eckpunkten und Kanten erstellt werden. Um beispielsweise eine Balkenstruktur zu erstellen, platzieren Sie an jedem Ende des Balkens einen Scheitelpunkt und verbinden diese mit einer Linie. Der Benutzer verwendet dann die Funktion in dieser Zeile, um die Dicke des Balkens anzugeben, die variiert werden kann, sodass ein Teil des Balkens dicker ist als ein anderer.
Der Prozess ist für Oberflächen ähnlich: Der Benutzer markiert die wichtigsten Merkmale mit Eckpunkten und wählt dann einen Solver aus, um den Rest der Oberfläche abzuleiten. Mit diesen benutzerfreundlichen Solvern können Benutzer sogar schnell hochkomplexe Metamaterialien erstellen, die als tripiodische Minimalflächen (TPMS) bezeichnet werden. Diese Strukturen sind sehr mächtig, aber der übliche Prozess ihrer Entwicklung ist mühsam und fehleranfällig.
„Mit unserer Demonstration können Sie auch damit beginnen, diese Formen zu kombinieren. Vielleicht könnten Ihnen Zellen, die sowohl TPMS-Strukturen als auch Balkenstrukturen enthalten, interessante Eigenschaften verleihen. Bisher wurden diese Kombinationen jedoch noch nicht in ausreichendem Maße erforscht“, sagte sie.
Am Ende des Prozesses gibt das System den gesamten graphbasierten Prozess aus und zeigt jede Aktion, die der Benutzer durchgeführt hat, um zur endgültigen Struktur zu gelangen – alle Scheitelpunkte, Kanten, Löser, Transformationen und Verdickungsoperationen.
In der Benutzeroberfläche können Designer zu jedem Zeitpunkt des Bauprozesses eine Vorschau der aktuellen Struktur anzeigen und bestimmte Eigenschaften, beispielsweise deren Steifigkeit, direkt vorhersagen. Der Benutzer kann dann einige Parameter iterativ anpassen und erneut bewerten, bis ein geeignetes Design erreicht ist.
Die Forscher nutzten ihr System, um die Struktur von Metamaterialien über viele einzigartige Klassen hinweg nachzubilden. Sobald sie das Skelett entworfen haben, dauert die Generierung jeder Metamaterialstruktur nur wenige Sekunden.
Sie erstellten auch automatisierte Erkundungsalgorithmen, indem sie jedem Algorithmus eine Reihe von Regeln gaben und diese dann in ihrem System frei ließen. In einem Test lieferte der Algorithmus in etwa einer Stunde mehr als 1.000 potenzielle fachwerkbasierte Strukturen.
Darüber hinaus führten die Forscher eine Benutzerstudie mit 10 Personen durch, die wenig oder gar keine Erfahrung mit der Modellierung von Metamaterialien hatten. Die Benutzer konnten alle sechs ihnen zur Verfügung gestellten Strukturen erfolgreich modellieren, und die meisten waren sich einig, dass die Darstellung des Programmdiagramms den Prozess vereinfachte.
„Unsere Vertreter machen eine Vielzahl von Strukturen leichter zugänglich. Wir freuen uns besonders über die Möglichkeit für Benutzer, TPMS zu generieren. Diese komplexen Strukturen sind selbst für Experten oft schwierig zu generieren. Dennoch hatte eines der TPMS in unserer Studie die kürzeste durchschnittliche Modellierungszeit aller sechs Strukturen, was überraschend und aufregend ist“, sagte sie.
In Zukunft hoffen die Forscher, ihre Technik durch die Einbeziehung komplexerer Verfahren zur Knochenverdickung zu verbessern, damit das System eine größere Bandbreite an Formen simulieren kann. Außerdem wollen sie den Einsatz automatisch generierter Algorithmen weiter erforschen.
Längerfristig hoffen sie, mit dem System ein Inverse Engineering durchführen zu können, bei dem die gewünschten Materialeigenschaften spezifiziert werden und dann mithilfe von Algorithmen die optimale Metamaterialstruktur ermittelt wird.