新演算法對客機機翼優化400次後，最終結構竟與鳥骨驚人般相似

計算形態形成（Computational Morphogenesis）並不是一種嶄新的技術，工程師們用它對簡單的結構和部件進行設計優化已經有 20 多年的歷史了。但是由丹麥技術大學機械工程系副教授 Niels Aage 卻把它推上了新高：Aage 的團隊對一架波音 777 客機的機翼進行了從零開始的完全優化，其結果與自然界中鳥骨的相似度簡直令人吃驚。研究成果發表在 10 月 4 日的《自然》上。

為了實現這一結果，研究人員們首先需要對現有的形態形成演算法進行大幅度的提高。與 2D 圖像最基本的單元是像素一樣，3D 結構的基本單元為體素（Voxel）。在此之前，最好的 3D 優化演算法的解析度也只有 500 萬體素左右。然而，Aage 團隊所使用的優化程序的解析度卻高達 10 億體素。從這角度來看，我們就不難理解為什麼他們能實現從優化支架和管道到優化客機機翼了。

當然，普通計算機是無法承擔如此大的計算量的——Aage 團隊所使用的是法國居里超級計算機。而就算以居里超級計算機那 11520 核的計算能力，從只有外殼形狀開始設計這隻 27 米長的機翼也花了 5 天的時間。最終的成果是一個與現有的網格式機翼完全不一樣，但是又異常的美麗的設計：實心的弧形翼梁，以及斜形的翼肋。

圖 | 400 次優化之後的機翼中心結構圖。除了機翼外殼形狀之外，一切結構：弧形翼梁，翼肋，構架都是由演算法自主生成

與現有的機翼相比，計算機優化的成果要輕 2-5% 左右，也就是 200-500 公斤。從成本的角度來講，這意味著每架飛機每年都可以省 40-200 噸航空燃油。對於航空業這個巴不得每公斤都收費的行業來說，這可不是一筆小錢。不過，由於結構太過於複雜，我們需要一個（暫時不存在的）巨型 3D 印表機才能把它生產出來。因此，這個機翼現在只能存在於設計圖中。

圖：a——用機翼的橫斷面來展示形態形成的步驟：上為一開始的空殼，中為優化過程中，下為最終的結果

b——以增材生產列印出來的機翼模型，可以看到其中的結構十分精細（體積為 300?mm x ?100?mm x 45?mm）

c——犀鳥喙的內部結構圖，與電腦生成的機翼十分相似

對於「無法生產」這一結果，Aage 並不在意。他表示，這種技術還可以用來優化我們能生產的結構，比如設計地震區的抗震高層建築，或者對排氣系統，聲學系統，或者天線系統進行優化。「我們將大幅度加快設計進化的速度。簡單來說，我們現在可以看見最終設計所需要的形態，然後在從中提取我們能夠實現的重要特徵。」

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