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麻省理工學(xué)院 | 如何通過顆粒狀材料推動(dòng)、擺動(dòng)或鉆孔一個(gè)物體
指南者留學(xué) 2023-01-20 15:53:57 閱讀量:1231
<p>在雪地里鏟雪,在沙灘上插傘,涉水穿過球坑,在碎石上開車,這些都有一個(gè)共同點(diǎn):它們都是入侵練習(xí),入侵物體施加一定的力,穿過柔軟的顆粒狀材料。</p> <p>&nbsp;</p> <p>預(yù)測如何通過沙子、礫石或其他軟介質(zhì)可以幫助工程師在火星土壤上駕駛探測車,在波濤洶涌的大海中錨定船只,并讓機(jī)器人在沙子和泥漿中行走。但是,對這些過程中涉及的力進(jìn)行建模是一項(xiàng)巨大的計(jì)算挑戰(zhàn),通常需要幾天到幾周的時(shí)間才能解決。</p> <p>&nbsp;</p> <p>現(xiàn)在,麻省理工學(xué)院和佐治亞理工學(xué)院的工程師們發(fā)現(xiàn)了一種更快、更簡單的方法,可以通過任何柔軟、流動(dòng)的材料來模擬入侵。他們的新方法可以快速繪制出實(shí)時(shí)在顆粒材料中推動(dòng)、擺動(dòng)和鉆孔物體所需的力。該方法可以應(yīng)用于任何大小和形狀的物體和顆粒,并且不像其他方法那樣需要復(fù)雜的計(jì)算工具。</p> <p>&nbsp;</p> <p>麻省理工學(xué)院機(jī)械工程教授肯&bull;卡姆林(Ken Kamrin)表示:&ldquo;我們現(xiàn)在有一個(gè)公式,在你必須盡快檢查大量選項(xiàng)的情況下非常有用。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Shashank Agarwal SM ' 19,博士' 22補(bǔ)充道:&ldquo;這對于車輛在穿越廣闊沙漠和其他越野地形時(shí)的實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃等應(yīng)用尤其有用,這些應(yīng)用不能等待現(xiàn)有的較慢的模擬方法來決定它們的路徑。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Kamrin和Agarwal在本周發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的一項(xiàng)研究中詳細(xì)介紹了他們的新方法。佐治亞理工學(xué)院的物理學(xué)教授丹尼爾&middot;i&middot;戈德曼也參與了這項(xiàng)研究。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>流體連接</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>為了知道要用多大的力量推動(dòng)一個(gè)物體才能讓它在沙子中移動(dòng),人們可以一粒一粒地使用離散元素建模(DEM)&mdash;&mdash;一種系統(tǒng)地計(jì)算每個(gè)顆粒在給定力下的運(yùn)動(dòng)的方法。DEM是精確的,但速度很慢,它可能需要幾周的時(shí)間來完全解決一個(gè)涉及一小把沙子的實(shí)際問題。作為一種更快的替代方法,科學(xué)家們可以開發(fā)連續(xù)介質(zhì)模型,它可以模擬廣義塊或顆粒分組中的顆粒行為。這種更加簡化的方法仍然可以生成顆粒流動(dòng)的詳細(xì)圖像,從而將一個(gè)長達(dá)數(shù)周的問題縮短到幾天甚至幾個(gè)小時(shí)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>阿加瓦爾說:&ldquo;我們想看看是否能做得更好,把這個(gè)過程縮短到幾秒鐘。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>該團(tuán)隊(duì)參考了高盛之前的工作。2014年,他正在研究動(dòng)物和機(jī)器人如何在沙子和土壤等干燥的顆粒狀物質(zhì)中移動(dòng)。在尋找定量描述它們運(yùn)動(dòng)的方法時(shí),他發(fā)現(xiàn)他可以用一種快速的關(guān)系來做到這一點(diǎn),而這種關(guān)系最初是用來描述流動(dòng)游泳者的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>這個(gè)公式,阻力理論(RFT),通過將一個(gè)物體的表面視為一個(gè)小板塊的集合來工作。(想象一下用足球來表示一個(gè)球體。)當(dāng)物體在流體中移動(dòng)時(shí),每塊板都受到一個(gè)力,RFT聲稱每塊板上的力只取決于它的局部方向和運(yùn)動(dòng)。該方程考慮了所有這些因素,以及流體的個(gè)別特性,最終描述了物體作為一個(gè)整體如何在流體中運(yùn)動(dòng)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>令人驚訝的是,高盛發(fā)現(xiàn)這種簡單的方法在應(yīng)用于粒度入侵時(shí)也很準(zhǔn)確。具體來說,它預(yù)測了蜥蜴和蛇在沙子中滑行的力量,以及小型腿部機(jī)器人在土壤上行走的力量??妨终f,問題是為什么?</p> <p>&nbsp;</p> <p>他說:&ldquo;這是一個(gè)奇怪的謎,為什么這個(gè)最初用于在粘性流體中運(yùn)動(dòng)的理論,甚至在顆粒介質(zhì)中也能起作用,這種介質(zhì)具有完全不同的流動(dòng)行為。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Kamrin仔細(xì)研究了數(shù)學(xué),發(fā)現(xiàn)了RFT和他用來描述顆粒流的連續(xù)介質(zhì)模型之間的聯(lián)系。換句話說,物理驗(yàn)證,RFT確實(shí)是一種預(yù)測顆粒流動(dòng)的準(zhǔn)確方法,比傳統(tǒng)模型更簡單、更快。但有一個(gè)很大的限制:這種方法主要適用于二維問題。</p> <p>為了使用RFT來模擬入侵,我們需要知道如果一個(gè)人盡可能地移動(dòng)一個(gè)盤子會發(fā)生什么&mdash;&mdash;這是一個(gè)在二維空間中可以處理的任務(wù),但在三維空間中是無法處理的。團(tuán)隊(duì)需要一些捷徑來簡化3D的復(fù)雜性。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>古怪的扭</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>在他們的新研究中,研究人員通過在方程中添加額外的成分,將RFT應(yīng)用于3D。這個(gè)成分就是盤子的扭轉(zhuǎn)角,用來測量整個(gè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí)盤子方向的變化。當(dāng)他們把這個(gè)額外的角度,除了板塊的傾斜和運(yùn)動(dòng)方向外,研究小組有足夠的信息來定義板塊在3D中穿過材料時(shí)作用在板塊上的力。重要的是,通過利用與連續(xù)介質(zhì)建模的連接,得到的3D-RFT是可推廣的,并且可以輕松地重新校準(zhǔn),以適用于地球上的許多干顆粒介質(zhì),甚至其他行星體。</p> <p><img src="https://news.mit.edu/sites/default/files/images/inline/soft-push.gif" alt="Shown here is a simulation of drilling an asymmetric object (the Stanford bunny) down through a bed of small grains." width="800" height="377" />&nbsp;</p> <p>這里顯示的是一個(gè)模擬鉆一個(gè)不對稱物體(斯坦福兔子)通過小顆粒床。</p> <p><br />麻省理工學(xué)院的工程師們開發(fā)了一種快速的新方法,可以預(yù)測將3D物體推過沙子和其他顆粒材料所需的力。這里顯示的是一個(gè)模擬鉆一個(gè)不對稱物體(斯坦福兔子)通過小顆粒床。</p> <p>&nbsp;</p> <p>圖片來源:研究人員提供</p> <p><br />研究人員用各種三維物體演示了這種新方法,從簡單的圓柱體和立方體到更復(fù)雜的兔子和猴子形狀的幾何圖形。他們首先把這些物體平鋪起來,把它們每一個(gè)都表示成數(shù)百到數(shù)千個(gè)小盤子的集合。然后,他們將調(diào)整后的RFT公式應(yīng)用到每個(gè)單獨(dú)的板上,并計(jì)算出隨著時(shí)間的推移,鉆穿每個(gè)板,最終鉆穿整個(gè)物體所需要的力。</p> <p>&nbsp;</p> <p>卡姆林說:&ldquo;對于更古怪的物體,比如兔子,你可以想象一下,你必須不斷地轉(zhuǎn)移負(fù)載,才能一直往下鉆。&rdquo;&ldquo;我們的方法甚至可以在不到一分鐘的時(shí)間內(nèi)預(yù)測這些小擺動(dòng),以及兔子周圍的力分布。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>這種新方法提供了一種快速而準(zhǔn)確的方法來模擬顆粒入侵,它可以應(yīng)用于許多實(shí)際問題,從駕駛漫游者穿過火星土壤,到描述動(dòng)物在沙子中的運(yùn)動(dòng),甚至預(yù)測將一棵樹連根拔起需要什么。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我能預(yù)測拔出天然植物有多難嗎?你可能想知道,這場風(fēng)暴會把這棵樹吹倒嗎?&rdquo;Kamrin說。&ldquo;這是一個(gè)快速得到答案的方法。&rdquo;</p> <p>這項(xiàng)研究得到了陸軍研究辦公室、美國陸軍DEVCOM地面車輛系統(tǒng)中心和NASA的部分支持。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注:本文由院校官方新聞直譯,僅供參考,不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點(diǎn)。</p> </blockquote>
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