Fast Reverse Design of 4D‐Printed Voxelized Composite Structures Using Deep Learning and Evolutionary Algorithm

计算机科学 构造(python库) 卷积神经网络 体素 进化算法 算法 3D打印 深度学习 复合数 逆向工程 人工神经网络 人工智能 材料科学 复合材料 程序设计语言
作者
Mengtao Wang,Zaiyang Liu,Hidemitsu Furukawa,Zhuo Li,Yifei Ge,Yifan Xu,Zhe Qiu,Yang Tian,Zhongkui Wang,Ren Xu,Lin Meng
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
卷期号:12 (12): e2407825-e2407825 被引量:6
标识
DOI:10.1002/advs.202407825
摘要

Abstract Designing voxelized composite structures via 4D printing involves creating voxel units with distinct material properties that transform in response to stimuli; however, optimally distributing these properties to achieve specific target shapes remains a significant challenge. This study introduces an optimization method combining deep learning (DL) and an evolutionary algorithm, focusing on a solvent‐responsive hydrogel as the target material. A sequence‐enhanced parallel convolutional neural network is developed and generated a dataset through finite element simulations. This DL model enables high‐precision prediction of hydrogel deformation. Furthermore, a progressive evolutionary algorithm (PEA) is proposed by integrating the DL model to construct a DL‐PEA framework. This framework supports rapid reverse engineering of the desired shape, and the average design time for specified target shapes is reduced to ≈3.04 s. The present findings illustrate how 4D printing of optimized hydrogel designs can effectively transform in response to environmental stimuli. This work provides a new perspective on the application of hydrogels in 4D printing and presents an efficient tool for optimizing 4D‐printed voxelized composite structures.
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