Machine Learning‐Evolutionary Algorithm Enabled Design for 4D‐Printed Active Composite Structures

计算机科学 进化算法 灵活性(工程) 体素 有限元法 人工智能 过程(计算) 人工神经网络 工程设计过程 反向 3d打印 算法 材料科学 机械工程 结构工程 工程类 几何学 操作系统 生物医学工程 统计 数学
作者
Xiaohao Sun,Liang Yue,Luxia Yu,Han Shao,Xirui Peng,Kun Zhou,Frédéric Demoly,Ruike Renee Zhao,H. Jerry Qi
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (10) 被引量:97
标识
DOI:10.1002/adfm.202109805
摘要

Abstract Active composites consisting of materials that respond differently to environmental stimuli can transform their shapes. Integrating active composites and 4D printing allows the printed structure to have a pre‐designed complex material or property distribution on numerous small voxels, offering enormous design flexibility. However, this tremendous design space also poses a challenge in efficiently finding appropriate designs to achieve a target shape change. Here, a novel machine learning (ML) and evolutionary algorithm (EA) based approach is presented to guide the design process. Inspired by the beam deformation characteristics, a recurrent neural network (RNN) based ML model whose training dataset is acquired by finite element simulations is developed for the forward shape‐change prediction. EA empowered with ML is then used to solve the inverse problem of finding the optimal design. For multiple target shapes with different complexities, the ML‐EA approach demonstrates high efficiency. Combining the ML‐EA with computer vision algorithms, a new paradigm is presented that streamlines design and 4D printing process where active straight beams can be designed based on hand‐drawn lines and be 4D printed that transform into the drawn profiles under the stimulus. The approach thus provides a highly efficient tool for the design of 4D‐printed active composites.
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