Проектирование для относительно твердых материалов, которые не деформируются слишком сильно, обычно выполняется с помощью программного обеспечения, которое вычисляет и оптимизирует конструкции с использованием математических моделей, которые хорошо понятны и легко применяются.

Но существует расширяющийся класс задач в области проектирования изделий, в состав которых входят мягкие материалы - биологические материалы, инженерные ткани, мембраны и даже жидкости, изменяющие форму и реагирующие на электромагнитные поля. Предсказать, как эти мягкие и текучие материалы реагируют на воздействие сил, сложнее, чем предсказать поведение твердых материалов. Приложения в реальном мире могут включать в себя разработку искусственных сердец и сердечных клапанов или материалов для роботов, имитирующих плоть и мягкие ткани.

Чтобы справиться с этой задачей, команда исследователей Tufts во главе с профессором физики Тимом Атертоном создала Morpho - программируемую среду с открытым исходным кодом, которая позволяет исследователям и инженерам решать задачи оптимизации формы мягких материалов. Программное обеспечение, недавно описанное в Nature Computational Science, должно быть простым в использовании, бесплатным в использовании и применимым к широкому спектру сценариев. Среди команды, разрабатывавшей программное обеспечение, были Джеймс Адлер, профессор математики, и Чайтанья Джоши, аспирант по физике.

"Многие вещи, которые интересны в науке и технике, - это задачи оптимизации формы", - сказал Атертон. Это может означать создание наилучших возможных контуров города, приспособленных для движения транспорта и пешеходов, или форму русла реки с текущей по нему водой. Тогда возникает вопрос, как создать гибкие материалы, которые по-разному реагируют на воздействие сил, света, температуры.

"Традиционные пакеты моделирования используются для геометрической оптимизации жестких конструкций и обычно не предназначены для решения задач оптимизации формы мягких материалов", - сказал он. "Инженерам обычно приходится придумывать свои собственные математические формулы для мягких материалов, что может быть непросто. Morpho предоставляет набор инструментов, которые помогут любому пользователю удобно решать эти проблемы."

Мягким материалам присуща сложность в их реакции на окружающую среду. Мембраны, например, могут быть чувствительны к сжатию, потокам жидкости, давлению и вибрациям. Твердые частицы материала могут испытывать случайную турбулентность при движении. Их конечная форма может сильно отличаться от исходной и быть менее предсказуемой по сравнению с жесткими конструкциями.

Программа Morpho моделирует мягкие материалы с помощью процесса, известного как конечные элементы, математически разделяя их на небольшие простые формы (двумерные или трехмерные фигуры, такие как треугольники или тетраэдры), в то время как уравнения, моделирующие свойства материала, силы и граничные ограничения, генерируются для каждого узла вокруг фигур. Затем решается вся система уравнений, чтобы предсказать оптимальную форму системы.

В дополнение к мягким материалам программа также может моделировать проблемы упаковки, будь то поток гранулированных частиц в фармацевтическом производстве, кофе или вине (да, их свойства в основном обусловлены частицами в этих жидкостях) или то, как компании могут оптимально упаковывать и отгружать продукты, чтобы минимизировать использование пространства и упаковочные материалы.

Morpho также может моделировать гетерогенные системы, которые включают в себя как твердые, так и мягкие компоненты. Например, сердечно-сосудистый стент представляет собой металлическую сетку, окруженную мягкими тканями сердца и артериями. Исследователи могут получить лучшее представление об ожидаемой производительности стента, используя программное обеспечение для моделирования Morpho.

"На самом деле вам не нужно много тренироваться по программе, чтобы решать сложные проблемы", - сказал Атертон. "Я видел, как старшекурсники в течение пары недель после изучения Morpho использовали пакет для решения задач исследовательского уровня, и это удивительно".