新型计算设计方法可以将2D图形转化为复杂3D对象

寂静天花板

近日，卡耐基-梅隆大学（Carnegie Mellon）和洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究人员们发明了一种新的计算设计方法，该方法能将一块平整的2D塑料或金属片变成开口的六边形3D形状。结合3D打印和新的技术，研究人员能创造出高跟鞋和其他物体。

想一想橡皮筋，它最明显、最重要的特性是它的弹性。拉紧后，它甚至可以作为一个得心应手的便携式武器。但实际上，当橡皮筋在横向上拉伸时，它却在纵向上收缩。因此会出现越拉伸越薄的现象，而大多数弹性材料都有这种典型的现象。在这种事实下，卡耐基-梅隆大学和EPFL的研究人员的新发明显得特别有趣：这些研究人员发明了一种能让有韧性而无弹性的材料在两个维度上均匀扩张的计算设计方法，这种扩张可能会对生物力学、建筑学和其他领域有用。

这种新的计算设计方法能将柔性塑料和金属等负泊松比材料变成3D形状。要实现这一点，方法之一是在材料上切割出六角形，由此产生旋转的三角形单元，这些三角形单元可以使材料在横向和纵向上均匀扩张。  

虽然3D打印已经使得制造商可以用新材料来创建3D对象，但研究人员认为他们的新技术——折叠预制材料，而不是从头构建形状——可能会为一系列行业的设计师提供一个进一步的选择。“用负泊松比材料来设计复杂物体的方法应该在生物力学、消费品和建筑学领域有广泛而多样的应用。”EPFL的计算机和通信科学教授Mark Pauly说。

为了探索他们新的制造方法如何才能被用来创建单曲面和双曲面结构，研究人员曾向EPFL博士生Mina Konaković寻求帮助。Konaković用共形几何——研究长度均匀收缩和拉伸之间的空间的映射——来映射负泊松比材料的表面。Konaković评论说负泊松比材料和共形几何可以协同工作，但警告道真正的物理材料只能扩张这么多。

在用激光切割机切割出开口前，这款新的设计工具可以决定开口的样式，这些开口对实现预期的3D形状是必要的。 通过这项技术，研究人员能创建诸如雕塑、灯罩、口罩和高跟鞋等3D对象，这表明3D加工技术可以与3D打印结合使用来创建数字化设计的多材料3D对象。

目前，研究人员研发出的这一新方法还有一定的局限性。例如，为了创建一个3D口罩，他们必须将开口后的材料片放在一张脸的铸模上，然后再对材料片进行按压以形成适当的形状。在未来，研究人员相信他们有可能研发出能自动成型的材料，从而在激光切割后不再需要手工雕刻。

2016年7月27日，计算机图形和交互技术国际会议（the International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques）将在加利福尼亚阿纳海姆（Anaheim）举办。届时，这款新的计算设计方法将在会议上展出。