新型計算設計方法可以將2D圖形轉化為復雜3D對象

寂靜天花板

近日，卡耐基-梅隆大學（Carnegie Mellon）和洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究人員們發明了一種新的計算設計方法，該方法能將一塊平整的2D塑料或金屬片變成開口的六邊形3D形狀。結合3D打印和新的技術，研究人員能創造出高跟鞋和其他物體。

想一想橡皮筋，它最明顯、最重要的特性是它的彈性。拉緊后，它甚至可以作為一個得心應手的便攜式武器。但實際上，當橡皮筋在橫向上拉伸時，它卻在縱向上收縮。因此會出現越拉伸越薄的現象，而大多數彈性材料都有這種典型的現象。在這種事實下，卡耐基-梅隆大學和EPFL的研究人員的新發明顯得特別有趣：這些研究人員發明了一種能讓有韌性而無彈性的材料在兩個維度上均勻擴張的計算設計方法，這種擴張可能會對生物力學、建筑學和其他領域有用。

這種新的計算設計方法能將柔性塑料和金屬等負泊松比材料變成3D形狀。要實現這一點，方法之一是在材料上切割出六角形，由此產生旋轉的三角形單元，這些三角形單元可以使材料在橫向和縱向上均勻擴張。  

雖然3D打印已經使得制造商可以用新材料來創建3D對象，但研究人員認為他們的新技術——折疊預制材料，而不是從頭構建形狀——可能會為一系列行業的設計師提供一個進一步的選擇。“用負泊松比材料來設計復雜物體的方法應該在生物力學、消費品和建筑學領域有廣泛而多樣的應用。”EPFL的計算機和通信科學教授Mark Pauly說。

為了探索他們新的制造方法如何才能被用來創建單曲面和雙曲面結構，研究人員曾向EPFL博士生Mina Konaković尋求幫助。Konaković用共形幾何——研究長度均勻收縮和拉伸之間的空間的映射——來映射負泊松比材料的表面。Konaković評論說負泊松比材料和共形幾何可以協同工作，但警告道真正的物理材料只能擴張這么多。

在用激光切割機切割出開口前，這款新的設計工具可以決定開口的樣式，這些開口對實現預期的3D形狀是必要的。 通過這項技術，研究人員能創建諸如雕塑、燈罩、口罩和高跟鞋等3D對象，這表明3D加工技術可以與3D打印結合使用來創建數字化設計的多材料3D對象。

目前，研究人員研發出的這一新方法還有一定的局限性。例如，為了創建一個3D口罩，他們必須將開口后的材料片放在一張臉的鑄模上，然后再對材料片進行按壓以形成適當的形狀。在未來，研究人員相信他們有可能研發出能自動成型的材料，從而在激光切割后不再需要手工雕刻。

2016年7月27日，計算機圖形和交互技術國際會議（the International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques）將在加利福尼亞阿納海姆（Anaheim）舉辦。屆時，這款新的計算設計方法將在會議上展出。