_ Un nou sistem de calcul eficientizează proiectarea dispozitive fluidice

Motoarele cu ardere, elicele și pompele hidraulice sunt exemple de dispozitive fluidice — instrumente care utilizează fluide pentru a îndeplini anumite funcții, cum ar fi generarea de energie sau transportul apei.

Deoarece dispozitivele fluidice. sunt atât de complexe, încât sunt de obicei dezvoltate de ingineri cu experiență care proiectează manual, prototipează și testează fiecare aparat printr-un proces iterativ care este costisitor, necesită timp și necesită multă muncă. Dar, cu un sistem nou, utilizatorii trebuie doar să specifice locațiile și vitezele la care fluidul intră și iese din dispozitiv. Conducta de calcul generează apoi automat un design optim care atinge aceste obiective.

Sistemul ar putea face mai rapidă și mai ieftină proiectarea dispozitivelor fluidice pentru tot felul de aplicații, cum ar fi laboratoarele microfluidice pe cip care poate diagnostica boala din câteva picături de sânge sau inimi artificiale care ar putea salva viețile pacienților cu transplant.

Recent, au fost dezvoltate instrumente de calcul pentru a simplifica procesul de proiectare manuală, dar aceste tehnici au avut limitări. Unii au solicitat unui designer să specifice în prealabil forma dispozitivului, în timp ce alții reprezentau forme folosind cuburi 3D, cunoscute sub numele de voxeli, care au ca rezultat modele cutituite, ineficiente.

O nouă tehnică de calcul dezvoltată de cercetători de la MIT și din alte părți. depășește aceste capcane. Cadrul lor de optimizare a designului nu necesită ca utilizatorul să facă presupuneri despre cum ar trebui să arate un dispozitiv. Și, forma dispozitivului evoluează automat în timpul optimizării, cu contururi netede, mai degrabă decât cu granițe blocate, inexacte. Acest lucru permite sistemului să creeze forme mai complexe decât alte metode.

„Acum puteți face toți acești pași fără probleme într-o conductă de calcul. Și cu sistemul nostru, puteți crea dispozitive mai bune, deoarece puteți explora noi proiecte care nu au fost niciodată investigate folosind metode manuale. Poate că există unele forme care nu au fost încă explorate de experți", spune Yifei Li, un student absolvent de inginerie electrică și informatică, care este autorul principal al unei lucrări care detaliază acest sistem.< /p>

Co-autorii includ Tao Du, un fost post-doctorat la Laboratorul de Informatică și Inteligență Artificială (CSAIL), care este acum profesor asistent la Universitatea Tsinghua; și autorul principal Wojciech Matusik, profesor de inginerie electrică și informatică, care conduce Grupul de proiectare și fabricație computațională din cadrul CSAIL; precum și alții de la Universitatea din Wisconsin din Madison, LightSpeed ​​Studios și Dartmouth College. Cercetarea va fi prezentată la ACM SIGGRAPH Asia 2022.

Shaping a fluidic device

Conducta de optimizare a cercetătorilor începe cu o regiune goală, tridimensională, care a fost împărțită într-o grilă de cuburi minuscule. Fiecare dintre aceste cuburi 3D, sau voxeli, poate fi folosit pentru a face parte din forma unui dispozitiv fluidic.

Un lucru care separă acest sistem de alte metode de optimizare este modul în care îl reprezintă (sau „parametriază”) aceste voxeli minuscule. Voxelii sunt parametrizați ca materiale anizotrope, care sunt materiale care dau răspunsuri diferite în funcție de direcția în care li se aplică forța. De exemplu, lemnul este mult mai slab împotriva forțelor care sunt aplicate perpendicular pe bob.

Cercetătorii folosesc acest model de material anizotrop pentru a parametriza voxelii ca fiind complet solidi (cum s-ar găsi pe exteriorul dispozitivului). complet lichid (fluidul din dispozitiv) și voxeli care există la interfața solid-fluid, care au proprietăți atât ale materialului solid, cât și al lichidului.

„Când mergeți în direcția solidă, doriți să modelați proprietățile materialelor solide. Dar când mergeți în direcția fluidului, doriți să modelați comportamentul fluidelor. Acesta este ceea ce a inspirat ne-a permis să folosim materiale anizotrope pentru a reprezenta interfața solid-fluid. Și ne permite să modelăm comportamentul acestei regiuni foarte precis", explică Li.

De asemenea, conducta lor de calcul se gândește diferit la voxeli. În loc să folosească voxeli doar ca blocuri 3D, sistemul poate înclina suprafața fiecărui voxel și își poate schimba forma în moduri foarte precise. Voxelii pot fi apoi formați în curbe netede care permit modele complexe.

Odată ce sistemul lor a format o formă folosind voxeli, acesta simulează modul în care fluidul curge prin designul respectiv și îl compară cu obiectivele definite de utilizator. Apoi ajustează designul pentru a îndeplini mai bine obiectivele, repetând acest model până când găsește forma optimă.

Cu acest design în mână, utilizatorul ar putea utiliza tehnologia de imprimare 3D pentru a fabrica dispozitivul.

Demonstrarea designurilor

Odată ce cercetătorii au creat această conductă de proiectare, l-au testat cu metode de ultimă generație cunoscute sub numele de cadre de optimizare parametrică. Aceste cadre impun designerilor să specifice în prealabil care ei cred că ar trebui să fie forma dispozitivului.

„Odată ce faci această presupunere, tot ce vei obține sunt variații ale formei într-o familie de forme”, spune Li. . „Dar cadrul nostru nu are nevoie să faceți presupuneri de genul acesta, deoarece avem un grade de libertate atât de ridicat de proiectare, reprezentând acest domeniu cu mulți voxeli minusculi, fiecare dintre care își poate varia forma.”

În fiecare test, cadrul lor a depășit liniile de bază prin crearea unor forme netede cu structuri complicate care probabil ar fi fost prea complexe pentru ca un expert să le specifice în prealabil. De exemplu, a creat automat un difuzor fluidic în formă de copac care transportă lichidul dintr-o intrare mare în 16 ieșiri mai mici în timp ce ocolește un obstacol din mijlocul dispozitivului.

Conducta a generat și un dispozitiv în formă de elice. pentru a crea un flux răsucit de lichid. Pentru a obține această formă complexă, sistemul lor a optimizat automat aproape 4 milioane de variabile.

„Am fost foarte încântat să văd că conducta noastră a putut să crească automat un dispozitiv în formă de elice pentru acest sucitor fluid. conduceți un dispozitiv de înaltă performanță. Dacă modelați acel obiectiv cu un cadru de formă parametrică, deoarece nu poate crește o formă atât de complicată, dispozitivul final nu ar funcționa la fel de bine", remarcă Li.

În timp ce ea a fost impresionat de varietatea de forme pe care le-ar putea genera automat, Li plănuiește să îmbunătățească sistemul prin utilizarea unui model de simulare a fluidului mai complex. Acest lucru ar permite ca conducta să fie utilizată în medii de flux mai complexe, ceea ce ar permite să fie utilizată în aplicații mai complicate.

(Fluierul)