海洋动物激发了新的方法来优化结构拓扑慕容晓晓

海洋动物激发了新的方法来优化结构拓扑

软体动物和虾是两种不太可能的海洋动物，它们在工程中起着非常重要的作用。两只动物的尸体都说明了如何借用自然特征来增强工程结构和材料的性能。这种被称为仿生的现象正在帮助推进结构拓扑研究，其中模仿了自然系统中发现的微尺度特征

在佐治亚理工学院和里约热内卢天主教大学的研究人员最近发表的一篇论文中，概述了一种结构拓扑优化的新方法，该方法将设计和制造相结合，以创建新颖的微结构，潜在的应用范围很广。从用于颅骨重建的增强型面部植入物，到将材料送入太空进行行星探索的改进方法。

“通过传统的结构拓扑优化，我们使用算法来确定结构的理想布局-一种最大化结构效率且需要较少材料资源的算法，”博士学位论文的艾米丽·桑德斯说。乔治亚理工学院土木与环境工程学院的学生，也是该论文的合著者。“我们的新研究通过引入结构层次，微体系结构和空间变化的机械特性使这一步骤更进一步，从而实现了不同类型的功能，例如在墨鱼和螳螂虾中观察到的功能。”

两种动物的特性激发了设计分层，空间变化的微结构的新框架，并要求研究人员在用于创建3D打印结构的现有技术的基础上进一步发展。

乔治亚理工大学土木与环境工程学院教授兼教授雷蒙德·艾伦·琼斯格劳西奥·保利诺说：“在最近的工作中，我们开发了包括新的算法和计算在内的技术，这些算法和计算是分层微观结构的推动力。 -该论文的作者，以及最近入选美国国家工程院的人。“然后，我们可以将该信息输入3D打印机中，并创建具有大量细节的结构。在研究了具有极强适应性的多孔，分层的墨鱼骨之后，我们已经能够将其应用于新的结构和材料，例如所示的结构和材料。在我们的论文中。”

对于Paulino和他的团队，他希望这项新研究将被用于他在早期的癌症患者以及那些面部严重受伤和骨丢失的患者的颅骨重建工作中的工作。

Paulino说：“现在，我们可以3D打印已经使用拓扑优化设计的颅面植入物，并提供组织再生的框架。” “理想情况下，当与我们最近开发的空间变化的微体系结构结合使用时，植入物将更紧密地模仿人类骨骼的多孔性质，并促进骨骼自身在支架内的生长。随着骨骼的生长，支架会生物降解。 ，如果一切顺利，最后脚手架就消失了，病人在正确的位置有新的骨头。”

设计制造

正如Sanders解释的那样，本文研究的两个方面推动了拓扑优化的研究：设计和制造。第一个目标是设计最佳的宏观几何形状，同时，在其中最佳地分布空间变化的微观几何形状，以满足性能目标。在本文中，研究人员正在寻找体积有限的最大坚硬部件，就像螳螂虾锤爪一样，它们达到了在两个尺度上都可以模仿自然的高度复杂性。

第二个目标与创建结构所需的制造有关。通过增材制造-或3D打印-研究人员可以制造具有复杂几何形状的结构。但是随着研究团队引入空间变化的微观结构，印刷变得越来越困难。

桑德斯说：“我们必须发送给打印机的更复杂的3D数据是如此之大，以至于令人望而却步。” “因此，我们必须找到一种将信息传达给打印机的新方法。现在，我们仅传达2D信息，将微结构直接嵌入到结构的2D切片中。最后，打印机将这些切片组合在一起以获得结构效率要高得多。”

保利诺说：“艾米丽在制造业方面所做的工作使这一过程陷入了闭环。” “我们提供设计，数学和算法。我们将拓扑优化与宏观和微观水平的增材制造联系在一起。”

未来的应用

当考虑到本文在结构拓扑优化方面的进步的未来时，Paulino和Sanders都看到了在生物材料中的应用以及为太空探索而设计的磁性能。

对于Paulino继续进行颅骨重建的工作，他设想了工程，化学和生物学之间的跨学科合作，以开发生物相容性材料和医疗结构。

保利诺说：“我们还没有到那儿，但是这项工作是朝着正确方向迈出的一步。” “最终，我们将能够印刷生物相容性材料。这项针对空间变??化的微体系结构的研究应该能够为生物材料应用提供最佳的设计和制造。”

关于太空探索，这项研究可能会影响具有功能的合成结构和系统的创建，例如可以通过施加磁场按需激活的磁性材料组件。

桑德斯说：“这项工作的一个重要方面是，它开放了我们的设计空间，因此我们可以拥有在空间上变化的属性，这使我们能够做以前无法做的事情。”

保利诺继续解释说，随着太空旅行，送入太空的每一磅物质都付出了巨大的代价，因此，用于太空飞行的物质和数量非常有限。

保利诺说：“我看到我们的制造业在太空中运作的方式是您就地打印，可能使用国外行星本身的打印材料。” “您可以将附加打印功能带入火星，并在到达那里时使用所需的属性来打印结构。只打印所需的内容，而不是携带您认为需要的所有内容。在空间中，您希望所做的一切都得到优化。 ”

受到动物及其在自然界中的作用方式的启发，Paulino和他的团队又一次进行了拓扑优化，这是通过设计和制造空间变化的分层结构进行的。而且，很快，在生物医学和太空探索中的实际应用必将随之而来。

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