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導(dǎo)讀： 近期在4D打印設(shè)計(jì)上的成果多考慮智能材料和能量刺激的空間布局。多功能結(jié)構(gòu)的發(fā)展及其所需的驅(qū)動(dòng)性能需要從多材料設(shè)計(jì)的角度解決4D打印問(wèn)題，有望用計(jì)算方法增加設(shè)計(jì)概念。主要目標(biāo)是在體素化結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)材料性能的“最佳”分布，提出了一種基于有限元分析的進(jìn)化算法組成的計(jì)算框架，融合了通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化在設(shè)計(jì)空間內(nèi)優(yōu)化材料布局的優(yōu)點(diǎn)，解決了通過(guò)整合空體素尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)形狀變化的逆向設(shè)計(jì)問(wèn)題。結(jié)果表明，該方法可以成為設(shè)計(jì)3D打印活性復(fù)合材料的高效工具。

近年來(lái)，隨著增材制造領(lǐng)域日益突破性的科學(xué)進(jìn)步，以及活性材料領(lǐng)域的前沿發(fā)現(xiàn)，催生了一類(lèi)新材料——活性復(fù)合材料，即至少由兩種不同的材料組成，其中一種由一種智能材料和另一種被動(dòng)或惰性材料組成。智能材料可以在特定的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行形狀和其他屬性的變換，這些驅(qū)動(dòng)通常被稱(chēng)為能量刺激，其范圍囊括了從溫度到濕度、pH值、溶劑、電、磁、光等的可及性和易用性。

通過(guò)在能量刺激的作用下將增材制造和活性材料相結(jié)合，4D打印是一個(gè)蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域，需要在數(shù)字和物理層面進(jìn)行深入研究。然而，尋找最佳材料或性能分布以獲得所需的形狀變化是目前面臨的復(fù)雜問(wèn)題，這在很大程度上依賴于精確的數(shù)值模型。

基于此，諾丁漢特倫特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)以擴(kuò)展類(lèi)似的方法為目標(biāo)，同時(shí)將空白元素作為設(shè)計(jì)變量的一部分，在進(jìn)化算法（EA）中直接引入拓?fù)鋬?yōu)化（TO）的概念。這種TO與現(xiàn)有材料分布優(yōu)化策略的融合實(shí)現(xiàn)一種無(wú)梯度的方法，將正確的材料放置在正確的位置。將EA與傳統(tǒng)軟件上的有限元方法(FEM)相結(jié)合的計(jì)算框架允許用戶從幾種類(lèi)型的智能材料中進(jìn)行選擇，以啟動(dòng)案例研究，從而產(chǎn)生材料分布的最佳解決方案，以獲得目標(biāo)形狀變化。相關(guān)研究成果以題為“Computational design for 4D printing of topology optimized multi-material active composites”發(fā)表于期刊《NPJ Computational Materials》。

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文中提出了一種基于EA和FEM耦合分析的4D打印活性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架。生成溶液的體積材料分布中包含的空白元素實(shí)現(xiàn)了形狀匹配算法與TO的合并。

提出了兩個(gè)案例研究，采用不同的方法來(lái)設(shè)置目標(biāo)形狀，以及不同的智能材料模型，結(jié)果與目標(biāo)形狀非常吻合。這種方法是在更復(fù)雜的設(shè)計(jì)中尋找非直觀設(shè)計(jì)解決方案的開(kāi)始，同時(shí)最小化所需材料的數(shù)量。該方法的未來(lái)發(fā)展包括調(diào)整三維設(shè)計(jì)框架并使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)解決更復(fù)雜的問(wèn)題。

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