Intelligent design of mechanical metamaterials: a GCNN-based structural genome database approach

基因组 超材料 计算生物学 计算机科学 生物 材料科学 遗传学 光电子学 基因
作者
Wenyu Hao,Zongliang Du,Xiuquan Hou,Yilin Guo,Chang Liu,Weisheng Zhang,Huajian Gao,Xu Guo
出处
期刊:National Science Review [Oxford University Press]
卷期号:12 (4): nwaf053-nwaf053 被引量:8
标识
DOI:10.1093/nsr/nwaf053
摘要

ABSTRACT The reciprocal mapping between the geometry and properties of a unit cell is crucial for the intelligent and inverse design of advanced materials and structural systems. Beyond classical homogenization-based numerical methods, this paper presents an efficient and accurate mapping between the geometry and properties of a class of unit cells described by moving morphable components, achieved via a graph convolutional neural network. This leads to a structural genome database (SGD) approach for the intelligent design of mechanical metamaterials. Using the SGD approach, metamaterials exhibiting the Hashin–Shtrikman upper bound of bulk modulus, auxetic behavior and the unimodal property have been created, with design efficiency improved by 3–4 orders of magnitude. Additionally, transfer learning and a small amount of training data allow the SGD to predict non-local behaviors beyond a unit cell, such as optimized unit cells with critical buckling strength enhanced by nearly 200% and a bandgap metamaterial with a relative bandgap width of 51%. Experimentally validated optimized metamaterials demonstrate auxetic behavior and superior buckling resistance. The proposed SGD approach holds promise for the advanced design of multi-scale and multi-physics systems.
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