麻省理工学院的一个团队利用范畴论将松果的湿度响应分解成独立验证的构建模块，将其中一些模块与麦芒扭曲力学混合，并3D打印出一个与预测运动相匹配的热扭曲致动器。
湿度通过改变纤维素纤维、层状结构、组织层乃至整个器官来驱动松果的运动，这套系统通常需要工程师为每个新系统从头开始重写。该框架将每个尺度视为一个独立的模块，利用数学规则将这些模块组合起来以确保转换的有效性，并为每个模块分配一个合成对应物，最后编写经过验证的制造规范和可执行的打印代码。
图片来源：麻省理工学院
第一作者、麻省理工学院研究生李·马罗姆表示，缺失的关键在于完整的数学到物理实现的链条。“我们之前缺少的是一种将自然系统的数学描述与其物理实现完全联系起来的方法。这个框架的目标是明确这条链条，以便我们能够推断出每一步需要保留哪些要素。”马罗姆说道。
研究团队首先以松果这一简单易懂的案例为例，对该方法进行了测试，然后将松果弯曲和麦芒扭转分别视为独立的模块集。通过组合这两个模块集，无需重新设计即可构建热扭转致动器。这项工作扩展了通讯作者 Markus Buehler 实验室十余年的范畴论研究成果，其中包括早期在大型 3D 打印部件中保留特定分子尺度力学特性的范畴原型设计。该流程弥合了从多尺度生物力学到工程实现和制造规范，再到实验验证的、机器可执行设计的剩余鸿沟。
土木与环境工程系助理教授乔埃莱·扎尔迪尼表示，可重复使用是实际的回报。“我们框架的系统化使得您可以重复使用部分代码，而无需每次都从头开始，从而节省了大量的计算资源。这就是它在现实世界中的价值所在。”
论文《从生物力学到工程刺激响应系统的范畴论框架》发表于《固体力学与物理学杂志》。Marom 和 Buehler 与 Zardini 以及建筑学副教授 Skylar Tibbits 共同完成了这项研究。该研究得到了麻省理工学院莱梅尔森工程奖学金、新加坡国防科技研究院和麻省理工学院生成式人工智能影响联盟的资助。
来源：news.mit.edu
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