Data-driven Design of Isotropic and High-Stiffness TPMS-based Amorphousness-Induced Architected Material (TAAM)
本文提出了一种用于基于三周期极小曲面（TPMS）的非晶态诱导架构材料（TAAMs）的数据驱动设计框架，该框架利用可控的几何无序性，通过计算优化和实验制造的双重验证，同时实现了高刚度与卓越的弹性各向同性。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，你正在用一种特殊的泡沫建造一座既超级坚固又超轻的城堡。多年来，工程师们一直热衷于使用一种被称为 TPMS 的特定模式来构建城堡的墙壁。把这些模式想象成完美平滑且不断重复的蜂窝结构，或者是肥皂泡那复杂的形状。它们非常神奇，因为在重量极轻的情况下却拥有惊人的刚性，就像一张蜘蛛网能够承载重重的苍蝇一样。
但问题在于，这些蜂窝墙壁由于过于对称和重复，因此有一个“偏好的方向”。如果你从顶部挤压它们，它们会非常坚固；但如果你从侧面挤压，它们可能会更容易被压扁。这被称为各向异性（或定向刚度）。这就像一叠煎饼：向下压很容易，但横向推却很难。这使得它们在现实生活中很难使用，因为现实中的力往往来自任何角度，比如碰撞或在人体内部移动时。
核心理念：受控的混乱
研究人员在这一论文中提出了一个大胆的问题：如果我们在设计中故意打破完美的模式会怎样？
他们并不想仅仅制造出那种随机、杂乱的泡沫（通常这种泡沫很脆弱）。相反，他们发明了一种被称为 TAAM（基于 TPMS 的非晶态诱导构型材料）的新型材料。你可以把它想象成将那些完美的蜂м窝墙壁变成了一场“舞会”。他们随机旋转了每个小蜂窝单元并微调了其形状，从而引入了一点受控的无序性。
这就像是让一排整齐的行进士兵停下脚步，告诉他们转动身体并稍微挪动一下脚步。你失去了完美的阅兵队形，但你获得了一些更好的东西：无论你从哪个方向推，整个群体都变得同样强韧。他们称之为“可设计的非晶态性”——即通过制造混乱来将其作为一种可以控制的工具。
计算机游戏：寻找甜点位
为了找到加入多少“舞蹈”最为合适，团队并没有仅凭直觉猜测。他们利用贝叶斯优化构建了一个超级智能的计算机系统。想象一下一款视频游戏，其中的人工智能（AI）正试图寻找最佳的角色配置。这个 AI 同时有两个目标：让城堡尽可能坚硬，并且让它在各个方向上的强度都保持一致。
这个 AI 玩着“猜猜看”的游戏，并使用了两种不同的策略：
- PHVI： 这个策略像是一个谨慎的探险家，紧盯着已知表现良好的区域，试图榨取最后一点性能。
- EHVI： 这个策略则像是一个好奇的冒险家，愿意尝试奇特的、全新的组合，看看是否能发现隐藏的宝藏。
计算机模拟了数千种这种“跳舞”的结构。结果显示，通过加入这种受控的无序性，我们可以找到比旧有的完美模式更加平衡的设计。AI 找到了一个“帕累托前沿”（Pareto front），这只是一个高级说法，指的是他们找到了最佳的权衡方案——即你无法在不损失平衡性的情况下增加刚度，也无法在不损失刚性的情况下增加平衡性。
现实世界测试：打印与挤压
为了确保这不仅仅是计算机中的梦想，团队使用 FDM（熔融沉积建模）技术和 PLA 塑料实际制造了这些结构。他们打印出的立方体每边长为 50mm。
他们通过一台巨大的机器以 1% 每分钟应变 的慢速进行挤压实验。他们从三个不同的方向（顶、侧、前）挤压立方体，以观察这种“舞蹈”是否真的让它们变得各向同性（即在所有方向上性能相等）。
他们的发现
实验结果与计算机模拟几乎完全吻合。新的 TAAM 设计确实比传统的、完美的 TPMS 结构具有更高的各向同性，同时仍保持了高刚度。
- 数据： 他们测试的设计相对密度约为 0.300（这意味着塑料占据了 30% 的空间，其余部分是空气）。打印的版本根据方向不同，密度在 0.279 到 0.333 之间波动，非常接近这一数值。
- 材料： 他们使用的塑料在拉伸时的杨氏模量为 1357 ± 14 MPa，在挤压时的杨氏模量为 1630 ± 21 MPa。
- 结果： 这些“跳舞”的结构在面对力量时表现得足以媲美那些旧有的“行进”结构，这证明了加入一点随机性实际上可以让材料在面对意想不到的角度受力时更加可靠。
他们没有做的事情
值得注意的是，这篇论文并没有做某些事情。他们并没有声称已经解决了材料科学中的所有问题。他们还没有在真实的人体或碰撞中的汽车中测试这些材料。他们也没有说所有随机结构都更好；他们明确展示的是，这种特定类型的受控随机性，在平衡刚度和各向同性方面比旧有的完美模式效果更好。
总结
这项研究表明，有时，一点点有组织的混乱比完美的秩序更好。通过教导计算机去设计在特定且经过计算的方式下呈现“混乱”的结构，他们创造了一类全新的材料。这些材料已经准备好用于防护装备或医疗植入物等领域，在这些领域中，你需要无论受力方向如何都能保持强韧。这是朝着制造出像它们所生活的现实世界一样聪明且适应性强的材料迈出的一步。
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