Американські вчені розробили метод топологічної оптимізації 3D-друкованих виробів, що дозволяє отримувати конструкцію, яка змінює свій кут нахилу і зовнішній вигляд заданим чином. Оптимізація відбувається не за допомогою зміни самої конструкції, а завдяки розподілу по ній матеріалів трьох типів з різними властивостями. Як приклад дослідники створили пластину, яка при впливі магнітного поля повертається, завдяки чому зображений на ній автопортрет Вінсента Ван Гога змінюється на картину Едварда Мунка «Крик». Стаття опублікована в.
Топологічна оптимізація дозволяє домогтися мінімального використання матеріалу деталі (а, отже, і найменшої маси), зберігши потрібну інженеру міцність, функції та інші параметри. Зазвичай топологічною оптимізацією займаються алгоритми, які отримують від інженера модель, що містить точки кріплення, розмір та інші базові параметри, а потім змінюють конструкцію, залишаючи зазначені параметри без змін. Після цього вони проводять розрахунок і аналізують, чи залишилися ключові параметри незмінними, а також - чи зменшилася маса деталі.
Існує інший підхід, при якому форма деталі залишається незмінною, а змін піддається її склад. Група вчених з Массачусетського технологічного інституту під керівництвом Войцеха Матусика (Wojciech Matusik) вже створювала програму для подібної топологічної оптимізації, вона розбивала модель на вокселі (об'ємний аналог пікселя) і підбирала для кожного з них потрібне співвідношення м'якого і жорсткого матеріалу.
У новій роботі вчені застосували схожий підхід, але для вирішення іншого завдання - оптимізації будови об'єкта для отримання одночасно потрібного відхилення частини конструкції під дією магнітного поля і потрібних візуальних змін. Для цього вони створили набір з трьох полімерних матеріалів: м'якого, жорсткого і прозорого, а також жорсткого і непрозорого, який, до того ж, містить у собі ферромагнітні частинки. Такий набір дозволяє задавати оптичні властивості (прозорість і колір), а також механічні - звичайний жорсткий матеріал виконує роль основи конструкції, композит з магнітними частинками необхідний для створення рухомих частин, а м'який полімер використовується для створення петель та інших поворотних механізмів.
Вчені вирішили показати працездатність алгоритму для топологічної оптимізації, за допомогою завдання створення поворотної панелі, яка відображає різні зображення при повороті. Алгоритм приймає декілька зображень, а також відповідні їм кути повороту та відстані до постійного магніту. Після цього він створює різні моделі такої панелі, розподіляючи всередині неї вокселі з прозорого і непрозорого магнітного матеріалів. Потім кожна модель перевіряється на відповідність заданим користувачам зображенням за допомогою трасування променів.
Автори роботи продемонстрували роботу алгоритму на прикладі переходу між двома зображеннями, але сам по собі він не несе в собі обмеження на кількість стадій, хоча з додаванням кожної нової складність підбору структури з вокселів значно зростає.
У цій роботі дослідники використовували прості монолітні вокселі, які цілком складаються з одного матеріалу. А в одній з попередніх робіт вони навчили алгоритм створювати на основі двох матеріалів цілу бібліотеку вокселів з різним співвідношенням і просторовим розподілом двох матеріалів. Використовуючи алгоритм, вчені створили кілька ауксетиків - матеріалів, які при розтягненні не зменшуються в поперечній площині, а навпаки збільшуються.