一种新的计算系统简化了流体设备的设计

内燃机、螺旋桨和液压泵是流体装置的示例——利用流体执行某些功能(例如发电或输水)的仪器。由于流体设备非常复杂，它们通常由经验丰富的工程师开发，他们通过昂贵、耗时且劳动密集型的迭代过程手动设计、制作原型和测试每个设备。但有了新系统，用户只需指定流体进出设备的位置和速度。然后，计算管道会自动生成实现这些目标的最佳设计。

该系统可以更快、更便宜地为各种应用设计流体设备，例如可以从几滴血中诊断疾病的微流体芯片实验室或可以挽救移植患者生命的人造心脏。

最近，开发了计算工具来简化手动设计过程，但这些技术有局限性。有些要求设计人员提前指定设备的形状，而另一些则使用3D立方体(称为体素)表示形状，这会导致四四方方的低效设计。

麻省理工学院和其他地方的研究人员开发的一种新的计算技术克​​服了这些陷阱。他们的设计优化框架不需要用户对设备的外观做出假设。而且，设备的形状在优化过程中会自动演变为平滑的轮廓，而不是块状、不精确的边界。这使系统能够创建比其他方法更复杂的形状。

“现在你可以在计算管道中无缝地完成所有这些步骤。使用我们的系统，你可能会创造出更好的设备，因为你可以探索从未使用手动方法研究过的新设计。也许有些形状还没有被研究过专家们还在探索，”电气工程和计算机科学研究生李一飞说，他是一篇详细介绍该系统的论文的主要作者。

合著者包括清华大学计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)前博士后，现任清华大学助理教授杜涛;资深作者WojciechMatusik，电气工程和计算机科学教授，领导CSAIL的计算设计和制造小组;以及威斯康星大学麦迪逊分校、LightSpeedStudios和达特茅斯学院的其他机构。该研究将在ACMSIGGRAPHAsia2022上展示。

塑造流体装置

研究人员的优化管道从一个空白的三维区域开始，该区域已被划分为一个由微小立方体组成的网格。这些3D立方体或体素中的每一个都可用于形成流体设备形状的一部分。

将该系统与其他优化方法区分开来的一件事是它如何表示(或“参数化”)这些微小的体素。体素被参数化为各向异性材料，这些材料会根据向其施加力的方向给出不同的响应。例如，木材对垂直于纹理施加的力的抵抗力要弱得多。

研究人员使用这种各向异性材料模型将体素参数化为完全固体(就像在设备外部发现的那样)、完全液体(设备内的流体)以及存在于固液界面的体素，这些体素具有属性固体和液体材料。

“当你在固体方向上进行时，你想要模拟固体的材料特性。但是当你在流体方向上进行时，你想要模拟流体的行为。这就是启发我们使用各向异性材料来表示的原因固液界面。它使我们能够非常准确地模拟该区域的行为，”李解释道。

他们的计算管道也以不同的方式考虑体素。该系统不仅可以将体素用作3D构建块，还可以使每个体素的表面倾斜并以非常精确的方式改变其形状。然后可以将体素形成平滑的曲线，从而实现复杂的设计。

一旦他们的系统使用体素形成形状，它就会模拟流体如何流过该设计并将其与用户定义的目标进行比较。然后它调整设计以更好地满足目标，重复这种模式直到找到最佳形状。

有了这个设计，用户就可以利用3D打印技术来制造设备。

展示设计

一旦研究人员创建了这个设计管道，他们就会根据称为参数优化框架的最先进方法对其进行测试。这些框架要求设计人员提前指定他们认为设备的形状应该是什么。

“一旦你做出这样的假设，你将得到的只是形状家族中形状的变化，”李说。“但我们的框架不需要你做出这样的假设，因为我们通过用许多微小的体素来表示这个领域，从而拥有如此高的设计自由度，每个体素都可以改变其形状。”

在每个测试中，他们的框架通过创建具有复杂结构的平滑形状优于基线，这些结构可能太复杂以至于专家无法提前指定。例如，它自动创建了一个树形流体扩散器，将液体从一个大入口输送到16个较小的出口，同时绕过设备中间的障碍物。

管道还产生了一个螺旋桨状的装置来产生扭曲的液体流。为了实现这种复杂的形状，他们的系统自动优化了近400万个变量。

“我真的很高兴看到我们的管道能够为这种流体扭曲器自动生成螺旋桨形状的设备。这种形状可以驱动高性能设备。如果您使用参数化形状框架对目标进行建模，因为它不能长得如此复杂的形状，最终设备的性能就不会那么好，”李说。

虽然她对它可以自动生成的各种形状印象深刻，但李计划通过使用更复杂的流体模拟模型来增强该系统。这将使管道能够用于更复杂的流动环境，从而使其能够用于更复杂的应用程序。