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创新无处不在!逆向设计+3D打印=突破性的元设备

导读: 答案最终被证明是采用3D打印技术,这是Aydin认为“研究核心”的解决方案。该团队正式率先将3D打印和反向设计结合起来,使其成为功能齐全的设备。

随着技术的进步,设备变得越来越小。最近,从智能汽车到手机到台式3D打印机的整个系统都可以看到这一趋势。但是,整个数据共享系统本身呢?近日,西北大学的一组研究人员已经开始精确地研究这个问题,正如在学术期刊“科学报告”中发表的一项新研究所示。他们的第一个结论是令人惊讶的。

这篇题为“逆向设计的宽带全介电电磁设备”的论文描绘了一个眼镜不可能看到的薄的世界的肖像,而一个智能手机相机如此之小,以至于肉眼看不到它。在这个世界上,传感器是高度空气动力学的,并且能够符合飞机机翼的精确角度和斜度。材料甚至可以作为隐身斗篷,涂料罐使他们看起来消失。虽然这听起来像是科幻小说里的东西,但这个世界可能比我们想象的更早到达。

在他们的研究中,西北研究小组记录了他们在创建毫米波频率下高效、非谐振的宽带元器件方面的突破性工作。在这里取得的创新有朝一日可以证明在国防、消费产品和电信方面具有革命性意义,例如下一代5G无线网络。

创新无处不在!逆向设计+3D打印=突破性的元设备

麦考密克工程学院电气工程与计算机科学助理教授Koray Aydin说:“我觉得我们真的处在一个很大的事情的边缘。”Aydin和一群同事和研究生一起对逆向设计的元设备进行研究。“研究部分需要做很多工作,但是我们正在朝着正确的方向发展,”他说。

虽然这些宽带元设备是高科技的,西北大学研究小组的过程证明是惊人的直截了当。大部分创新是使用从亚马逊购买的基本3D打印机和逆向设计原理完成的。鉴于前向设计允许系统接受预期用于其自身更高版本的输入,反向设计从一个功能开始,并询问需要什么结构来实现期望的结果。在这种情况下,这意味着使用计算机建模、优化软件和复杂算法来构建可以弯曲或重新聚焦毫米波的元器件,同时避免常见的低效率、器件体积大或带宽窄的问题。

“我们在这里所取得的成就是一种创造电磁装置的新方法,这种装置可以实现一些传统上看起来不可能做到的功能”位于Weinberg的McCormick学院的物理学和天文学的电子工程和计算机科学教授Prem Kumar解释道。“与机器学习有点类似,这个过程可能会导致意想不到的结果。在这里,意想不到的结果是在宽带功能上的胜利。”

创新无处不在!逆向设计+3D打印=突破性的元设备

来自McCormick学院的工程系研究生Francois Callewaert被认为是逆设计算法背后的创造者。他的同事(Vesin Velev)来自物理学和天文学部门,协助进行详细的毫米波测量。两人都与Aydin一起工作,Aydin强调了Callewaert的算法将复杂几何形状的设计展现为完全“大开眼界”的实例。

用Aydin自己的话来说,“这些不是已知的形状,不是直观的形状”。然而,这样复杂的几何形状提出了一个问题:团队如何去实际构建它们?Aydin指出,使用传统的制造方法将是太繁重和昂贵的。

答案最终被证明是采用3D打印技术,这是Aydin认为“研究核心”的解决方案。该团队正式率先将3D打印和反向设计结合起来,使其成为功能齐全的设备。“对我来说,最重要的是它的多学科性质,”Kumar说道。他表示,创新意味着团队可以设计出一种看起来不像镜头的镜头。据Aydin介绍,另一个优势是,从微波范围到我们实际可以看到的频率范围,这个过程是可以立即升级的,这在很大程度上归功于3D打印的灵活性。

“几年前,像这样的研究看起来会非常不同,因为这样的行为只能是近似的,”电子工程和计算机科学教授Alan Sahakian说道。然而,这一次,团队基本上把他们想要的行为输入到计算机中,然后计算机根据确切的行为来优化结构。然后使用3D打印机打印出最终的原型。Sahakian说:“这是一个真正的突破,你可以通过无缝便捷的方式解决问题。”

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