自然建筑师用模拟、几何和超材料重塑一个更清洁的未来

即使是具有无限想象力的设计师也常常受到可用材料的限制以及这些材料的功能。但是如果你可以设计你需要的材料功能呢?Nature Architects为制造商提供形状设计解决方案，通过使用超材料将各种物理功能(如振动、声学、热传导、变形和减轻重量)融入他们的产品中。

“超材料”是通过人工设计的几何结构实现材料(如树脂和金属)物理功能之外的功能的结构的总称。使用超材料将有可能实现以前认为传统材料和组件不可能实现的高级物理特性。

超材料还包括通过弹性变形产生机械运动的结构，例如被称为柔性机构的运动部件。此外，超材料可用于在单一结构中创造先进的物理特性，而无需组装，这通常是通过组装机械部件或组合不同的材料来实现的。通常，这些都是通过增材制造制造的，但在某些情况下，可以使用传统的制造方法，如注射成型、压制成型和机械加工。

通过这种方式，超材料可以在不增加组装部件数量的情况下将新的物理特性融入产品中。超材料使设计师和工程师能够通过平衡设计要求的多种权衡来超越传统方法，例如轻质和高刚度。

在Ansys启动程序Nature Architects通过为早期初创企业提供价格合理的Ansys仿真解决方案，鼓励初创企业使用。Nature Architects正在利用仿真技术推进这一新兴技术，并构建更多的超材料和结构解决方案，以重塑未来。

模拟新的几何尺寸

自然建筑师成立于2017年，旨在使设计师和工程师能够设计出能够突破传统材料和组件限制的功能产品。

为了欣赏超材料的独特能力，你必须首先认识到自然和物理的限制。这方面的一个基本例子可以用任何有弹性的材料，如橡胶或氨纶来证明。当你拉橡皮筋的两端时，它会变窄变长。在机械工程中，这个概念是泊松效应的基础——垂直于受力点或加载方向的材料变形——或者，在这个例子中，手拉橡皮筋的方向。对于橡皮筋，泊松比是指橡皮筋在拉力方向上变窄和收缩时宽度与延伸长度的关系。通过知道一种材料的泊松比，你可以用一种可重复的方式预测它对应力的反应。

然而，通过创造具有负泊松比的超材料，有可能产生新的特性，使材料的反应不同于预期，甚至是被认为是可能的。对于橡皮筋来说，这可能会导致在拉其末端时筋变宽，而不是变窄。具有负泊松比的材料也被称为辅助材料。

将这一概念整合到构建机械超材料中，Nature Architects开发了他们标志性的直接功能建模(DFM)技术，以创建超越常规材料所能实现的结构。

例如，自然建筑师可以利用超材料设计从橡胶到塑料的材料替代品。具体来说，办公椅的缓冲部分由集成的塑料蜂窝结构制成，以实现有效分散身体压力的灵活性。适当的替代材料可以创造附加价值，例如降低成本，通过更好的可成型性改进设计，提高可回收性和更轻的重量。

除了增加创造性的可能性，超材料还具有促进可持续发展的潜力，因为它们可以在不增加材料使用的情况下增加功能。

“通过将表达创新功能的结构，如超材料，与逆向计算技术相结合，我们能够实现高水平的功能到形状，”自然建筑事务所的首席执行官Taisuke Ohshima在描述该公司的DFM技术时说。Ansys Startup Program使我们能够使用先进的仿真，这在公司的启动阶段是成本高昂的，并帮助我们自动化和改进我们的分析和设计系统，扩大了我们作为一家公司可以处理的行业和问题的范围。”

Ohshima和他的同事们已经将模拟技术整合到一起，以攻克他们所说的几何设计中的最大挑战:新结构发现的自动化。使用Ansys机械对于结构分析和流固耦合，该团队采用了机械Ansys参数化设计语言(MAPDL)，这是一种脚本语言，可自动执行仿真任务并简化工作流程。这种自动化允许团队可视化和探索无数的新结构。工程师还可以使用MAPDL通过设计优化和自适应网格划分等功能，构建具有新变量和参数的模型。

“模拟的自动化和处理非线性问题的进步正在帮助我们开发系统来克服这一挑战，”Ohshima说。“我们使用Mechanical APDL为DFM定制了一个自动化系统，从几何形状定义到分析和后处理，受益于各种约束和元素。”

此外，该组使用Ansys流利分析晶格结构中两流体的换热性能，为换热器的设计提供依据。

自然建筑师的签名直接功能建模技术使用几何结构重新发明材料属性，在没有典型外部组件的情况下产生所需的运动，如本视频中所示，通用柔性关节是在没有弹簧或传统装配的情况下创建的。

行动中的解决方案

DFM技术通过根据所需的物理功能即时生成合适的超材料结构，从而提高了传统功能建模的能力。通过DFM，自然建筑师可以为产品添加各种以前无法实现的物理功能，包括柔韧性、变形、导热性和振动吸收。DFM技术最有效地用于处理运动的产品，例如汽车，航空航天和机器人，以及风扇，弹簧，开关和杠杆等组件。通过重新构想这些兼容的机制，Nature Architect的工程师们通过集成结构产生了所需的运动，减少了对外部操作部件和组件的需求，包括铰链、螺钉和螺栓。

如果可移动部件可以作为一个单一的部件使用一个兼容的机制，它是有可能消除需要多个部件，因此，组装。此外，如果使用DFM适当地设计了兼容机制，则可以将这些功能集成到部件中，在单个单元中创建相同的功能。

Nature Architects拥有15人的团队，他们不直接生产最终产品，而是为制造商提供超材料和DFM解决方案，他们经常在开发和支持产品设计方面进行合作。本质上，自然架构师构建和操作配备DFM技术的软件模块，为每个客户和项目自动化设计过程。

目前，自然建筑事务所提供了三种使用DFM技术的解决方案——DFM PULSE、DFM TOUCH和DFM UNWELD，它们分别增强了振动、触觉和钣金加工的能力。该解决方案的应用范围从汽车到音乐设备。

一家汽车零部件公司目前使用DFM PULSE来隔离传感器周围部件的振动，并正在与一家领先的空调(AC)制造商合作开发用于AC系统的隔振组件。一家建筑公司集成了DFM UNWELD技术来制造建筑构件，DFM TOUCH被用于开发娱乐行业的设备。

超材料是DFM解决方案的关键组成部分，并根据公司或应用程序的需要提供一系列属性。例如，上面提到的用于缓冲填充物的基于三角形棱柱的辅助晶格结构具有前所未有的刚度控制，可以为汽车传感器外围部件提供应力消除，也可以实现减少振动。传统上，隔振技术需要橡胶或弹簧等外部组件的弹性，但DFM技术在其他材料中重现了这些柔顺机制。例如，DFM PULSE可用于制造具有弹性性能的超材料，以改变任何复合材料或材料，包括玻璃、塑料、木材或金属。

除了像八元桁架这样的空间填充结构外，超材料还可以增强二维结构的物理性能。这意味着几何设计和超材料不仅有利于增材制造和3D打印项目，而且还可以帮助传统的制造方法，包括注塑和压制。

为明天而设计

自然建筑师已经引起了制造公司的注意。去年夏天，这家初创公司获得了日本新能源和工业技术开发组织的资助。日本新能源和工业技术开发组织是一家国家级研发机构，在全球设有办事处，旨在促进支持可持续发展的新能源技术的开发和引进。

今年春天，Nature Architects团队通过Plug and Play Japan的加速器项目获得了EXPO创业奖。Plug and Play是一家总部位于加州硅谷的企业创新平台，在全球各地设有办事处，通过加速器项目、投资和网络为初创企业提供支持。Plug and Play曾与一些历史上最成功的初创公司合作，包括谷歌、Dropbox和PayPal。

“通过在使用传统制造方法的基础上创新设计，我们可以提高产品设计的效率，并为产品增加价值，”Ohshima说。Ansys的仿真有助于我们专有设计系统的自动化和分析的先进性。”

要了解更多关于自然建筑师的知识，请访问他们的网站网站或YouTube频道。有关Ansys Startup Program的更多信息，请浏览产品包和资格在这里。