通过模仿自然过程创建复杂结构

是什么激发了你对创造复杂结构所涉及的自然过程的最新研究？

灵感的最大来源是自然现象。复杂的地层和地貌是由长期的外部刺激（如风蚀和水蚀）逐渐形成的，这些外部刺激在地表上作用不均匀，并随时间变化。

一些自然的构造，如砂岩拱门和柱子、大理石洞穴和柱子、金字塔形的沙丘和著名的荒地守护者，给人留下深刻的智能设计的印象，而不是随机过程的结果。

这些现象让我们想知道我们是否可以人为地使可识别的形状类似于来自非线性和混沌能量领域的本质上的识别形状，例如Chladni板上的已知振动场。

如何复杂的自然形成，例如弧形岩石通常形成？

我不是地质学家，但根据最新的理论，这些天然形成的出现通常是极其复杂的多体程过程，包括弹性变形，摩擦力，电化学，微裂纹，生物因子等。

然而，通常是外部刺激会引起某些内部反应，最终导致形成的结构失去平衡，进入新的状态。从一个州到另一个州，形成是以一种不可预测的方式逐渐形成的。

为什么研究人员以前从未试图通过模仿自然现象来制作这些形状？

从长期的外部刺激中创造形状的自然现象是复杂的，经常涉及混沌动力学。它们也不容易预测或复制。

许多研究人员专注于创建特定模板 - 地形特征，在声学或磁场中的能量井 - 以所需的结构或形状的形式。这些模板将允许粒子或构建块探索相关的能量景观，最终被困在全欧洲杯猜球平台球最小能量。

研究人员通常采用复杂的硬件和流程，包括数十个甚至数千个换能器来生产这些模板并使其重新编程。

通常，模板和形状之间的关系直观。然而，我们研究的自然形状形成过程并不总是直观或“一步”过程，并且可以通过众多国家。

你能描述一下你的最新研究是如何模拟这些复杂形状背后的自然过程的吗?

我们的作品没有专注于准确模拟自然塑造过程，而是由它们的启发。类似于由空间非线性外部领域的性质中的形状形成过程，我们在由致动器驱动的硅板上使用的空间非线性振动场，也称为Chladni板。

振动场使置于板顶的粒子处于运动状态，其运动方向和大小在同一频欧洲杯猜球平台率下的位置和同一频率下的区域有剧烈变化。

我们开发的自然启发算法是迭代选择并应用与不同频率相关联的振动场，逐步将粒子推向目标形状。欧洲杯猜球平台换句话说，我们使用反馈循环来调整过程，以在相对较短的时间内加速成形过程，而不是像你在自然界中那样等待很长时间。

在您的研究中，您使用了一种算法来确定粒子最合适的振动频率。为什么知道正确的振动频率很重要，振动频率如何影响粒子的方向？欧洲杯猜球平台

知道正确的振动频率很重要，因为正是该频率使粒子能够沿所需方向移动。然而，只有在能够预测振动对粒子的影响时，才能知道正确的振动频率。欧洲杯猜球平台

这就是机器学习发挥作用的地方；我们收集了足够的数据，基于粒子在不同频率下在平板上的运动，并根据这些数据训练神经网络。

尽管运动是相当随机和混乱的，神经网络可以合理地预测粒子运动的方向和大小，在不同的位置上，我们使用的每一个振动频率。

从长远来看，粒子的方向是朝向最近的振动节点，欧洲杯猜球平台其中振动幅度最小。尽管有这种趋势，但在短时间内，方向是不确定的，运动是混乱的。

你在进行研究时遇到过什么挑战吗?如果有，它们是什么?你是如何克服的?

我们的形状形成实验花了很长时间，有时一天要花好几个小时。然而，这些实验大部分是必要的，以探索算法和硬件的局限性。

我们遇到的一个挑战是系统的混沌性质，即起点非常相似的粒子可能导致非常不同的结果。欧洲杯猜球平台

我们具有使用闭环反馈来加速形状形成过程的优势。然而，振动板上的粒子运动的混沌性质意味着每个实验的结果可能是完全不同的。另一方面，这与最初激发了美国的本质上的情况非常相似，所以我们比这种挑战更兴奋。

自然启发算法选择并应用与不同频率相关联的振动场，逐渐将粒子推向目标形状。欧洲杯猜球平台

在你的研究结果中有什么是令人惊讶的吗?

它令人惊讶的是，我们的算法必须适应形状的位置和定向到动态粒子分布。否则，该过程通常会导致失败。显然，单独的振动场的资源不足以成功的结果。

幸运的是，我们可以在数学上将形状形成任务表述为一个优化问题，这与计算机视觉中的点集配准问题的表述非常相似。在形状形成过程中，该算法对该问题进行了迭代求解，从而实现了粒子与目标形状的融合。欧洲杯猜球平台

这一意外引发了几个有趣的问题：首先，自然界中的形状形成过程并没有计算方向或位置——这是一个人工概念，因此对于我们受自然启发的目标来说，这不是一个问题；其次，它提出了一个有趣的科学问题，即这种振动板实际上有多少自由度。

形状形成实验的快照显示过程的几个阶段，从初始粒子分布到最终结果。

您的研究在材料科学行业的未来应用有哪些?欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球你的研究在材料科学之外还有什么应用吗?欧洲杯足球竞彩欧洲杯线上买球

我们认为，我们的自然启发方法可用于对医疗和生物科学研究中的细胞进行分类，或者可以激发新颖的制造技术。欧洲杯线上买球

此外，我们的方法也适用于其他与Chladni板动力学特性相似的系统，如具有湍流流场的系统。移动和操纵颗粒物对材料科学行业以外的许多行业都至关重要。欧洲杯线上买球

你研究的下一步是什么？

下一步是大幅度增加参与形状形成过程的粒子数量。欧洲杯猜球平台我们还打算用其他颗粒类型和材料进行实验，例如细胞或颗粒状材料，如沙子。欧洲杯足球竞彩这可能需要我们从运动建模的角度和能量场的角度来修改我们的方法。

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关于Quan Zhou教授

Quan Zhou教授收到了M.SC.控制工程学位和技术博士。自动化技术学位来自芬兰坦佩雷理工大学坦佩雷大学。目前，他正在芬兰Aalto大学电气工程学院电气工程系和自动化系的机器人仪表组。他在小型化机器人，微型和纳米尺寸和自动化方面拥有多十多年的经验。

周教授目前是欧洲机器人协会微型机器人专题组的协调员。他是欧盟FP7项目FAB2ASM的协调员。他还是MARSS 2019小型操纵、自动化和机器人国际会议的总主席，以及IEEE芬兰控制系统学会、机器人和自动化学会以及系统人和控制论学会联合分会的主席。周教授还获得了2018年安东·帕尔仪器分析和表征研究奖。