Beyond unit cells: Programmable morphogenetic design of irregular architected materials

稳健性(进化) 计算机科学 韧性 工程类 结构工程 辅助 相容性(地球化学) 工程制图 可扩展性 偏转(物理) 渲染(计算机图形)
作者
Hailin Deng,Qingkun Zhao,Taishan Liu,Zhenghao Zhang,Zelin Zhu,Yi Zhou,Hua-Xin Peng,W P Yang,Huajian Gao,Haofei Zhou
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (27): e2606412123-e2606412123
标识
DOI:10.1073/pnas.2606412123
摘要

Architected materials derive functionality from geometry, yet conventional unit cell-based design limits functional heterogeneity, geometric adaptability, and robustness to defects. Inspired by natural morphogenesis, we introduce RDGenCAD, a morphogenetic design framework that translates programmable growth rules into reaction-diffusion dynamics to generate self-organized, CAD-ready architectures. A database of 120,000 morphogenetic structures reveals statistically deterministic and continuous tunability of elastic properties across auxetic and conventional regimes, despite pronounced geometric irregularity. These architectures further exhibit emergent flaw insensitivity and crack deflection through stress compartmentalization, leading to synergistic gains in strength and toughness relative to regular lattices. By shifting architected material design from unit-cell tessellation to programmable morphogenetic growth, this work establishes self-organization as a generative principle for designing materials that are irregular yet predictable, heterogeneous yet "coherent," and directly manufacturable.
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