新型計(jì)算設(shè)計(jì)方法可以將2D圖形轉(zhuǎn)化為復(fù)雜3D對象

寂靜天花板

近日，卡耐基-梅隆大學(xué)（Carnegie Mellon）和洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的研究人員們發(fā)明了一種新的計(jì)算設(shè)計(jì)方法，該方法能將一塊平整的2D塑料或金屬片變成開口的六邊形3D形狀。結(jié)合3D打印和新的技術(shù)，研究人員能創(chuàng)造出高跟鞋和其他物體。

想一想橡皮筋，它最明顯、最重要的特性是它的彈性。拉緊后，它甚至可以作為一個得心應(yīng)手的便攜式武器。但實(shí)際上，當(dāng)橡皮筋在橫向上拉伸時，它卻在縱向上收縮。因此會出現(xiàn)越拉伸越薄的現(xiàn)象，而大多數(shù)彈性材料都有這種典型的現(xiàn)象。在這種事實(shí)下，卡耐基-梅隆大學(xué)和EPFL的研究人員的新發(fā)明顯得特別有趣：這些研究人員發(fā)明了一種能讓有韌性而無彈性的材料在兩個維度上均勻擴(kuò)張的計(jì)算設(shè)計(jì)方法，這種擴(kuò)張可能會對生物力學(xué)、建筑學(xué)和其他領(lǐng)域有用。

這種新的計(jì)算設(shè)計(jì)方法能將柔性塑料和金屬等負(fù)泊松比材料變成3D形狀。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，方法之一是在材料上切割出六角形，由此產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的三角形單元，這些三角形單元可以使材料在橫向和縱向上均勻擴(kuò)張。  

雖然3D打印已經(jīng)使得制造商可以用新材料來創(chuàng)建3D對象，但研究人員認(rèn)為他們的新技術(shù)——折疊預(yù)制材料，而不是從頭構(gòu)建形狀——可能會為一系列行業(yè)的設(shè)計(jì)師提供一個進(jìn)一步的選擇?！坝秘?fù)泊松比材料來設(shè)計(jì)復(fù)雜物體的方法應(yīng)該在生物力學(xué)、消費(fèi)品和建筑學(xué)領(lǐng)域有廣泛而多樣的應(yīng)用?！盓PFL的計(jì)算機(jī)和通信科學(xué)教授Mark Pauly說。

為了探索他們新的制造方法如何才能被用來創(chuàng)建單曲面和雙曲面結(jié)構(gòu)，研究人員曾向EPFL博士生Mina Konaković尋求幫助。Konaković用共形幾何——研究長度均勻收縮和拉伸之間的空間的映射——來映射負(fù)泊松比材料的表面。Konaković評論說負(fù)泊松比材料和共形幾何可以協(xié)同工作，但警告道真正的物理材料只能擴(kuò)張這么多。

在用激光切割機(jī)切割出開口前，這款新的設(shè)計(jì)工具可以決定開口的樣式，這些開口對實(shí)現(xiàn)預(yù)期的3D形狀是必要的。 通過這項(xiàng)技術(shù)，研究人員能創(chuàng)建諸如雕塑、燈罩、口罩和高跟鞋等3D對象，這表明3D加工技術(shù)可以與3D打印結(jié)合使用來創(chuàng)建數(shù)字化設(shè)計(jì)的多材料3D對象。

目前，研究人員研發(fā)出的這一新方法還有一定的局限性。例如，為了創(chuàng)建一個3D口罩，他們必須將開口后的材料片放在一張臉的鑄模上，然后再對材料片進(jìn)行按壓以形成適當(dāng)?shù)男螤睢Ｔ谖磥恚芯咳藛T相信他們有可能研發(fā)出能自動成型的材料，從而在激光切割后不再需要手工雕刻。

2016年7月27日，計(jì)算機(jī)圖形和交互技術(shù)國際會議（the International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques）將在加利福尼亞阿納海姆（Anaheim）舉辦。屆時，這款新的計(jì)算設(shè)計(jì)方法將在會議上展出。