网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

中科大实现多尺度结构逆向设计128倍加速,登上Nature子刊

0
分享至



近日,中国科学技术大学(USTC)联合新疆师范大学、中关村人工智能研究院、香港理工大学,在数据驱动的多功能双连通多尺度结构逆向设计领域取得重要突破。相关成果于 2026 年 1 月 8 日以“Data-driven Inverse Design of Multifunctional Bicontinuous Multiscale Structures”为题,发表于 Nature 旗下顶级综合期刊Nature Communications。

该研究首次系统性解决了双连通多尺度结构长期存在的“难描述、难设计、难制造”核心瓶颈,为骨植入物、渗透器件、力学隐身结构等复杂工程系统的智能化设计提供了全新的数据驱动范式。



  • 论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-025-68089-2
  • 数据链接:https://drive.google.com/drive/folders/1VnNVyjxKFQPCH_YchG52gRw1zEXKMr2J
  • 开源链接:https://github.com/llwang91/L-BOM/

向自然学习:破解双连通多尺度结构设计的关键难题

在自然界中,双连通多尺度结构并不罕见。以松质骨为例,其内部由固体相与孔隙 / 流体相相互贯通,形成高度互联的三维网络,使结构在保持轻量化的同时兼具优异的力学性能与渗透能力。然而,在工程设计中复现这类 “自然结构” 并不容易:一方面,缺乏可解析的数学模型,使得传统建模与逆向设计方法难以直接应用;另一方面,多尺度三维结构的联合优化计算量随规模呈指数级增长,连通性难以统一约束,成为制约工程应用的核心难题。



图 1 数据驱动的多功能双连通多尺度结构设计的动机、挑战与工作流程。a 松质骨;b 双连通开孔结构;c 边界连接性;d 通过拓扑优化(Opt.)与主动学习(AL)构建的 L-BOM 数据集,其边界 / 掩膜为相同的 “X” 形,右侧为松质骨的多尺度逆向 设计过程。

关键突破:一个简单而深刻的结构原理

针对上述难题,研究团队提出了一个简单却具有高度普适性的核心原理:只要多尺度结构中每一个微结构单元同时具备双连通性、开孔特征,并共享完全一致的边界条件,无论其如何组合,整体结构都能够天然保持双连通性。基于这一原理,团队首次构建了大规模三维数据集L-BOM(Large-range, Boundary-identical, Bicontinuous Open-cell Microstructure)。在统一边界条件约束下,L-BOM 数据集不仅实现了双连通微结构的无缝拼接,还覆盖了跨数量级的性能空间,并天然满足制造与结构连接约束,从而从根本上绕开了对解析建模的依赖,为多尺度结构的高效逆向设计奠定了坚实的数据基础。



图 2 在四种不同边界(Mask 1–4)条件下的 L-BOM 数据集示意图。 a–c 为第一种边界条件(Mask 1)的构建流程: a 基于 Mask 1 通过优化生成的初始数据集(21,620 个微结构); b 主动学习(AL)框架; c 经过主动学习后的掩膜 1 最终数据集(106,445 个微结构)。 d–f 为其余三种边界(Mask 2–4)的初始与最终 L-BOM 数据集。 蓝色箭头表示多轮主动学习过程。

多尺度逆向设计闭环:效率提升 128 倍

在多尺度逆向设计闭环中,研究团队以股骨植入物为代表性案例,采用 “自上而下” 的多尺度逆向设计流程,实现了结构性能与生物特征的高度协同匹配。设计结果在多个关键指标上与天然骨组织高度一致:在杨氏模量、孔径和孔隙率等参数上实现精准匹配,并在刚度、渗透性与轻量化之间取得了更优平衡;在结构形态上,自然形成兼具致密骨板状特征与松质骨桁架状特征的多尺度复合结构。

与 IWP、BCC 桁架及旋节线等经典结构设计方法相比,该方法无需后期插值或额外拼接处理,整体计算效率显著提升,且所生成结构在形态与层级特征上更接近真实骨组织,体现出显著的设计优势。



图 3 致密骨与松质骨植入物的多尺度设计。a 初始配置及优化结果;b 多尺度结构的匹配、组装与求交过程;c 本研究结果(I)与三种典型结构:IWP(II)、BCC truss(III)以及旋节线结构(IV)的对比;d 展示了本研究的优化结果与 IWP、BCC truss、旋节线结构在松质骨设计中的计算时间(T/s)、杨氏模量(E/MPa)及平均孔径(APS/μm)的比较。

特别是在力学隐身斗篷等大规模、高复杂度任务中,该多尺度逆向设计闭环将原本 10 小时以上的计算时间压缩至不足 5 分钟,实现了 128 倍的效率提升。更重要的是,随着结构分辨率和问题规模的持续增大,这一效率优势不仅没有衰减,反而进一步放大,展现出优异的可扩展性与规模化潜力。



图 4 机械斗篷(20 × 20 × 20 单元)逆向设计结果。右侧展示了优化过程的迭代曲线,以及用于填充隐身体的微结构的性能分布。

128 倍并非终点,而是多尺度结构设计走向规模化应用的起点。

可调渗透结构:从仿真到实验高度一致

研究团队还设计并制造了4×4×1 双连通多尺度过滤结构,并对其流体性能进行了系统验证。结果表明,基于 L-BOM 数据集构建的结构在渗透率和比表面积(S/V)等关键指标上显著优于传统 TPMS 结构(如 Gyroid、Diamond 和 IWP)。同时,数值计算、仿真分析与实验测量结果高度一致,在高孔隙率样品中,实测流速与数值预测几乎完全重合,验证了该方法在保持整体双连通性的同时,能够实现对流体通道结构的精确调控,显示出在过滤与流体调控器件中的应用潜力。



图 5 过滤装置的多尺度结构设计。a 过滤装置的初始设置(4×4×1 个单元);b 比较了 Mask 2 数据集中的微结构与三种 TPMS 结构(Gyroid、Diamond 和 IWP)在孔隙率 (1−V)、比表面积 (S/V) 和渗透率方面的差异;d 在孔隙率为 0.8 的条件下,对比了所设计结构与 Gyroid、Diamond 和 IWP 结构的性能,并展示了各自的流体仿真结果;e 对六种结构(IWP、Diamond、Gyroid 以及优化后的多尺度设计 M16、M19、M20)进行了渗透率实验验证。

研究意义:为 AI 设计复杂结构打开新范式

该研究提出了双连通多尺度结构的可组合设计原理,首次构建了覆盖大范围性能空间、具备统一边界条件且可实现无缝拼接的四个三维双连通开孔结构数据集,并将生成式人工智能方法真正引入到具备工程可制造性的结构逆向设计中。同时,研究在力学与流体等多个物理场景下完成了数值计算与实验测量的双重验证。基于上述方法,可广泛应用于定制化骨植入物、力学隐身与超材料、渗透与过滤器件以及多物理场协同结构设计等领域,为多功能结构材料的智能逆向设计奠定了重要的技术基础。

中科大计算几何小组研究团队负责人表示:“作为长期深耕计算几何与计算机图形学的研究团队,我们将继续探索基础理论、核心算法与前沿应用的交叉融合,推动几何计算方法在复杂形状建模、仿真分析与智能设计等方向的持续突破。面向未来,团队将持续深入超材料这一前沿探索领域,围绕多尺度结构表征、性能预测与可制造约束下的智能优化等关键问题开展系统研究,形成可复用的设计理论与工具链。与此同时,我们也将积极推动相关成果在先进制造、航空航天、机器人与能源等场景落地,加速从算法创新到工程应用的转化,为产业升级与社会发展创造更大价值。”

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
李春江接任新主教练?杜锋拒绝续约广东队,换帅基本成为定局!

李春江接任新主教练?杜锋拒绝续约广东队,换帅基本成为定局!

绯雨儿
2026-06-26 11:14:36
摩根士丹利:光通信退潮,网络设备正成为新主线

摩根士丹利:光通信退潮,网络设备正成为新主线

新浪财经
2026-06-26 17:43:36
特斯拉中国为员工子女设奖学金:考上985、211最高奖5000元

特斯拉中国为员工子女设奖学金:考上985、211最高奖5000元

IT之家
2026-06-26 11:53:40
土耳其发生多起中国游客租驾汽车、摩托车、骑马等意外事故,多人受伤甚至死亡,中使馆紧急提醒

土耳其发生多起中国游客租驾汽车、摩托车、骑马等意外事故,多人受伤甚至死亡,中使馆紧急提醒

极目新闻
2026-06-26 17:09:22
美国发话也不行,中方正式通告全球:打日本,中国具备“正当性”

美国发话也不行,中方正式通告全球:打日本,中国具备“正当性”

凤语谈
2026-05-28 12:13:58
豆瓣9.4的国产神剧,正在被全网批判

豆瓣9.4的国产神剧,正在被全网批判

独立鱼
2026-06-27 00:05:34
一句话捅了马蜂窝!梅洛尼公开反驳吕特:意大利没参战,别乱说

一句话捅了马蜂窝!梅洛尼公开反驳吕特:意大利没参战,别乱说

相思赋予谁a
2026-06-27 02:38:42
A股:证监会最新出手,开出私募史上最重罚单!下周一将迎新变化

A股:证监会最新出手,开出私募史上最重罚单!下周一将迎新变化

云鹏叙事
2026-06-27 00:00:07
贝克汉姆也成“发面馒头”了?男神老去不可怕,可怕的是瞎折腾

贝克汉姆也成“发面馒头”了?男神老去不可怕,可怕的是瞎折腾

白露文娱志
2026-06-26 16:27:17
从狂赚到大亏15亿卢布!吉利长安在俄罗斯一年从天堂摔地狱

从狂赚到大亏15亿卢布!吉利长安在俄罗斯一年从天堂摔地狱

老马拉车莫少装
2026-05-11 14:18:27
温网首轮“缘分弄人”,吴易昺对战德约,郑钦文再战西尼亚科娃

温网首轮“缘分弄人”,吴易昺对战德约,郑钦文再战西尼亚科娃

极目新闻
2026-06-26 18:38:04
逆转四冠王!高原之鹰时隔20年再次小组出线 总统宣布全国放假1天

逆转四冠王!高原之鹰时隔20年再次小组出线 总统宣布全国放假1天

狍子歪解体坛
2026-06-26 10:11:26
为什么女人第一次同房后,后面不主动也不拒绝呢?

为什么女人第一次同房后,后面不主动也不拒绝呢?

思絮
2026-06-02 10:06:18
啥情况?李在明穿防弹背心,突然对中国强硬表态:韩国不会不管!

啥情况?李在明穿防弹背心,突然对中国强硬表态:韩国不会不管!

云舟史策
2026-06-26 07:06:24
卷巨额遗产出逃英国,给杨振宁戴绿帽子,翁帆身上的谣言有多离谱

卷巨额遗产出逃英国,给杨振宁戴绿帽子,翁帆身上的谣言有多离谱

叨唠
2026-05-27 04:13:37
17场16球5助攻,姆巴佩世界杯直接参与进球数升至历史第二

17场16球5助攻,姆巴佩世界杯直接参与进球数升至历史第二

懂球帝
2026-06-27 03:32:22
不配执法世界杯?美国女主裁连续犯错:被打出1.0分 FIFA应禁赛她

不配执法世界杯?美国女主裁连续犯错:被打出1.0分 FIFA应禁赛她

风过乡
2026-06-26 07:01:44
付某兵(男,1977年生)运毒近87公斤,已核准死刑

付某兵(男,1977年生)运毒近87公斤,已核准死刑

南方都市报
2026-06-26 08:14:48
我接受不了我女儿这样!女大学生晒和男友同居日常,家长心态崩了

我接受不了我女儿这样!女大学生晒和男友同居日常,家长心态崩了

世界圈
2026-06-25 12:34:13
重磅利好!铟定乾坤,磷化铟产能龙头开启长牛行情

重磅利好!铟定乾坤,磷化铟产能龙头开启长牛行情

趣味萌宠的日常
2026-06-26 07:31:03
2026-06-27 05:55:00
机器之心Pro incentive-icons
机器之心Pro
专业的人工智能媒体
13370文章数 142682关注度
往期回顾 全部

科技要闻

拿了500亿的梁文锋,只挖地基,不信销售

头条要闻

世界杯:塞内加尔5-0十人伊拉克 盖伊世界波双响

头条要闻

世界杯:塞内加尔5-0十人伊拉克 盖伊世界波双响

体育要闻

我在世界杯的每次奔跑,都为了证明你没看错

娱乐要闻

玥儿不回北京,马筱梅解释后妈身份

财经要闻

"索具龙头"领大额罚单

汽车要闻

11.99万起 捷途自由者7 PLUS/山海T1四驱版上市

态度原创

本地
数码
艺术
旅游
军事航空

本地新闻

世界杯球迷节:比球赛更好玩的派对

数码要闻

深夜突发!iPad/Mac全球大涨价,苹果成了AI受害者?

艺术要闻

莫兰迪不多见的简约风景画!

旅游要闻

不必远赴国外,国内这片七彩大地,藏着中国人独有浪漫与乡土温情

军事要闻

伊朗:驶离指定航线船舶不享有安全保障

无障碍浏览 进入关怀版