नए, उपयोगकर्ता के अनुकूल इंटरफेस के साथ, शोधकर्ता अद्वितीय यांत्रिक गुणों के साथ कई सेलुलर मेटामटेरियल संरचनाओं को तुरंत डिजाइन कर सकते हैं। इंजीनियर लगातार नवीन, वांछनीय गुणों के संयोजन वाली सामग्रियों की खोज कर रहे हैं। उदाहरण के लिए, विमानों और कारों को अधिक ईंधन-कुशल बनाने के लिए अल्ट्रा-मजबूत हल्के पदार्थों का उपयोग किया जा सकता है, या हड्डी प्रत्यारोपण में छिद्रपूर्ण और बायोमैकेनिकल रूप से अनुकूल सामग्रियों का उपयोग किया जा सकता है।
सेलुलर मेटामटेरियल्स - इकाइयों या कोशिकाओं से बनी कृत्रिम संरचनाएं जो विभिन्न पैटर्न में दोहराई जाती हैं - इन लक्ष्यों को प्राप्त करने में मदद कर सकती हैं। लेकिन यह जानना कठिन है कि कौन सी सेलुलर संरचना वांछित गुण उत्पन्न करेगी। यहां तक कि अगर कोई छोटे सदस्यों जैसे कि इंटरकनेक्टिंग बीम या शीट से युक्त संरचनाओं पर ध्यान केंद्रित करता है, तो विचार करने के लिए अनगिनत संभावित व्यवस्थाएं हैं। परिणामस्वरूप, इंजीनियर मैन्युअल रूप से सभी काल्पनिक रूप से संभव सेलुलर मेटामटेरियल्स का केवल एक अंश ही खोज सकते हैं।
एमआईटी और ऑस्ट्रियन इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी के शोधकर्ताओं ने एक कंप्यूटिंग तकनीक विकसित की है जो उपयोगकर्ताओं के लिए किसी भी छोटे बिल्डिंग ब्लॉक से मेटामटेरियल इकाइयों को तुरंत डिजाइन करना और फिर परिणामी मेटामटेरियल के गुणों का मूल्यांकन करना आसान बनाती है।
उनका दृष्टिकोण मेटामटेरियल्स के लिए एक विशेष सीएडी (कंप्यूटर-एडेड डिज़ाइन) प्रणाली की तरह काम करता है, जो इंजीनियरों को बहुत जटिल मेटामटेरियल्स को तुरंत मॉडल करने और डिज़ाइन के साथ प्रयोग करने की अनुमति देता है जिन्हें विकसित होने में कुछ दिन लग सकते हैं। उपयोगकर्ता के अनुकूल इंटरफ़ेस उपयोगकर्ताओं को संभावित मेटामटेरियल आकृतियों के संपूर्ण स्थान का पता लगाने में भी सक्षम बनाता है क्योंकि सभी बिल्डिंग ब्लॉक उपलब्ध हैं।
तकनीकी पेपर के सह-प्रमुख लेखक, एमआईटी इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान स्नातक छात्र लियान मकातुरा ने कहा, "हम एक प्रतिनिधित्व लेकर आए हैं जो उन सभी अलग-अलग आकृतियों को शामिल करता है जिनमें इंजीनियरों की पारंपरिक रूप से रुचि होती है। क्योंकि आप उन सभी को एक ही तरीके से बना सकते हैं, इसका मतलब है कि आप उनके बीच अधिक तरलता से स्विच कर सकते हैं।"
मकातुरा ने एमआईटी पोस्टडॉक बोहन वांग के साथ पेपर का सह-लेखन किया। यी-लू चेन, इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी ऑस्ट्रिया (आईएसटीए) में स्नातक छात्र; बोलेई डेंग, एमआईटी में पोस्टडॉक; आईएसटीए के प्रोफेसर क्रिस वोजटन और बर्नड बिकेल; और वरिष्ठ लेखक वोज्शिएक माटुसिक, एमआईटी में इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग और कंप्यूटर विज्ञान के प्रोफेसर हैं जो एमआईटी कंप्यूटर विज्ञान और कृत्रिम बुद्धिमत्ता प्रयोगशाला में कम्प्यूटेशनल डिजाइन और फैब्रिकेशन समूह का नेतृत्व करते हैं। शोध SIGGRAPH पर प्रस्तुत किया जाएगा।
एकीकृत दृष्टिकोण
जब एक वैज्ञानिक एक सेलुलर मेटामटेरियल विकसित करता है, तो वह आमतौर पर पहले एक प्रतिनिधित्व का चयन करती है जो इसके संभावित डिजाइन का वर्णन करेगा। यह चयन अन्वेषण के लिए उपलब्ध आकृतियों के सेट को निर्धारित करता है। उदाहरण के लिए, वह ऐसी तकनीक चुन सकती है जो मेटामटेरियल का प्रतिनिधित्व करने के लिए कई परस्पर जुड़े बीमों का उपयोग करती है। हालाँकि, इसने उसे अन्य तत्वों, जैसे पतली प्लेटों या गोले जैसी 3डी संरचनाओं के आधार पर मेटामटेरियल्स की खोज करने से रोक दिया। ये आकृतियाँ अलग-अलग निरूपण द्वारा दी गई हैं, लेकिन अभी तक सभी आकृतियों का एक ही तरीके से वर्णन करने का कोई एकीकृत तरीका नहीं है।
"समय से पहले एक विशिष्ट उप-स्थान चुनकर, आप अपनी खोज को सीमित करते हैं और अपने अंतर्ज्ञान के आधार पर पूर्वाग्रह का परिचय देते हैं। हालांकि यह उपयोगी हो सकता है, अंतर्ज्ञान गलत हो सकता है, और कुछ अन्य आकार आपके विशेष अनुप्रयोग के लिए खोज के लायक हो सकते हैं," मकातुरा ने कहा।
वह और उनके सहयोगी एक कदम पीछे हट गए और विभिन्न मेटामटेरियल्स पर करीब से नज़र डाली। उन्होंने पाया कि समग्र संरचना बनाने वाली आकृतियों को कम-आयामी आकृतियों द्वारा आसानी से दर्शाया जा सकता है - बीम को रेखाओं में कम किया जा सकता है, या पतले गोले को सपाट सतहों में संपीड़ित किया जा सकता है।
उन्होंने यह भी ध्यान दिया कि सेलुलर मेटामटेरियल्स में अक्सर समरूपता होती है, इसलिए संरचना के केवल एक छोटे से हिस्से को प्रस्तुत करने की आवश्यकता होती है। बाकी हिस्से को प्रारंभिक टुकड़े को घुमाकर और प्रतिबिंबित करके बनाया जा सकता है। उन्होंने कहा, "इन दोनों अवलोकनों को मिलाकर, हम इस विचार पर पहुंचे कि सेलुलर मेटामटेरियल्स को ग्राफिक संरचनाओं के रूप में अच्छी तरह से दर्शाया जा सकता है।"
ग्राफ़-आधारित प्रतिनिधित्व के माध्यम से, उपयोगकर्ता कोने और किनारों से निर्मित बिल्डिंग ब्लॉकों का उपयोग करके मेटामटेरियल कंकाल का निर्माण कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, एक बीम संरचना बनाने के लिए, आप बीम के प्रत्येक छोर पर एक शीर्ष रखते हैं और उन्हें एक रेखा से जोड़ते हैं। इसके बाद उपयोगकर्ता बीम की मोटाई निर्दिष्ट करने के लिए इस लाइन पर फ़ंक्शन का उपयोग करता है, जिसे अलग-अलग किया जा सकता है ताकि बीम का एक हिस्सा दूसरे की तुलना में मोटा हो।
यह प्रक्रिया सतहों के लिए समान है - उपयोगकर्ता सबसे महत्वपूर्ण विशेषताओं को शीर्षों के साथ चिह्नित करता है और फिर शेष सतह का अनुमान लगाने के लिए एक सॉल्वर का चयन करता है। ये उपयोग में आसान सॉल्वर उपयोगकर्ताओं को ट्रिपियोडिक न्यूनतम सतहों (टीपीएमएस) नामक अत्यधिक जटिल मेटामटेरियल्स को तुरंत बनाने की अनुमति भी देते हैं। ये संरचनाएँ बहुत शक्तिशाली हैं, लेकिन इन्हें विकसित करने की सामान्य प्रक्रिया कठिन है और विफलता की संभावना है।
"हमारे प्रदर्शन के साथ, आप इन आकृतियों को संयोजित करना भी शुरू कर सकते हैं। शायद टीपीएमएस संरचनाओं और बीम संरचनाओं दोनों वाली कोशिकाएं आपको दिलचस्प गुण दे सकती हैं। लेकिन अभी तक, इन संयोजनों का किसी भी हद तक पता नहीं लगाया गया है," उन्होंने कहा।
प्रक्रिया के अंत में, सिस्टम संपूर्ण ग्राफ़-आधारित प्रक्रिया को आउटपुट करता है, जिसमें उपयोगकर्ता द्वारा अंतिम संरचना पर पहुंचने के लिए की गई प्रत्येक क्रिया को दिखाया जाता है - सभी कोने, किनारे, सॉल्वर, ट्रांसफ़ॉर्म और गाढ़ा करने के संचालन।
उपयोगकर्ता इंटरफ़ेस में, डिज़ाइनर निर्माण प्रक्रिया के दौरान किसी भी बिंदु पर वर्तमान संरचना का पूर्वावलोकन कर सकते हैं और इसकी कठोरता जैसे कुछ गुणों की सीधे भविष्यवाणी कर सकते हैं। उपयोगकर्ता तब कुछ मापदंडों को पुनरावृत्त रूप से समायोजित कर सकता है और एक उपयुक्त डिज़ाइन प्राप्त होने तक फिर से मूल्यांकन कर सकता है।
शोधकर्ताओं ने कई अद्वितीय वर्गों में मेटामटेरियल्स की संरचना को फिर से बनाने के लिए अपने सिस्टम का उपयोग किया। एक बार जब वे कंकाल को डिज़ाइन कर लेते हैं, तो प्रत्येक मेटामटेरियल संरचना को उत्पन्न होने में केवल कुछ सेकंड लगते हैं।
उन्होंने स्वचालित अन्वेषण एल्गोरिदम भी बनाए, प्रत्येक एल्गोरिदम को नियमों का एक सेट दिया और फिर उन्हें अपने सिस्टम में ढीला कर दिया। एक परीक्षण में, एल्गोरिदम ने लगभग एक घंटे में 1,000 से अधिक संभावित ट्रस-आधारित संरचनाएं लौटा दीं।
इसके अतिरिक्त, शोधकर्ताओं ने 10 ऐसे लोगों के साथ एक उपयोगकर्ता अध्ययन किया, जिनके पास मेटामटेरियल्स मॉडलिंग का बहुत कम या कोई अनुभव नहीं था। उपयोगकर्ता उन्हें दी गई सभी छह संरचनाओं को सफलतापूर्वक मॉडल करने में सक्षम थे, और अधिकांश इस बात से सहमत थे कि प्रोग्राम आरेख प्रतिनिधित्व ने प्रक्रिया को आसान बना दिया है।
"हमारे प्रतिनिधि विभिन्न प्रकार की संरचनाओं को अधिक सुलभ बनाते हैं। हम विशेष रूप से उपयोगकर्ताओं के लिए टीपीएमएस उत्पन्न करने की क्षमता से प्रसन्न हैं। इन जटिल संरचनाओं को उत्पन्न करना अक्सर मुश्किल होता है, यहां तक कि विशेषज्ञों के लिए भी। फिर भी, हमारे अध्ययन में टीपीएमएस में से एक में सभी छह संरचनाओं का सबसे कम औसत मॉडलिंग समय था, जो आश्चर्यजनक और रोमांचक है," उसने कहा।
भविष्य में, शोधकर्ताओं को अधिक जटिल हड्डी मोटा करने की प्रक्रियाओं को शामिल करके अपनी तकनीक को बढ़ाने की उम्मीद है ताकि सिस्टम आकृतियों की एक विस्तृत श्रृंखला का अनुकरण कर सके। वे स्वचालित रूप से उत्पन्न एल्गोरिदम के उपयोग की खोज भी जारी रखना चाहते हैं।
लंबी अवधि में, वे व्युत्क्रम इंजीनियरिंग करने के लिए सिस्टम का उपयोग करने की उम्मीद करते हैं, जहां वांछित सामग्री गुणों को निर्दिष्ट किया जाता है और फिर इष्टतम मेटामटेरियल संरचना को खोजने के लिए एल्गोरिदम का उपयोग किया जाता है।