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包括内燃机和螺旋桨，以及微流控“芯片实验室”或人造器官等尖端技术，流控设备使用流体来执行诸如发电或输送水等功能。
由于流体设备非常复杂，它们通常由经验丰富的工程师开发，他们通过迭代过程手动设计、原型和测试每个设备，研究人员将其描述为“昂贵、耗时和劳动密集型”。
最近，人们开发了计算工具来简化人工设计过程，但研究人员表示，这些工具有局限性。有些要求设计师提前指定设备的形状，而另一些则使用被称为体素的3D立方体来表示形状，这导致了“四四方方、无效的设计”。
使用新系统，用户只需要指定流体进入和退出设备的位置和速度。然后，计算“管道”自动生成实现这些目标的最佳设计。
在优化过程中，该设备的形状自动演变为平滑的，而不是块状的，不精确的边界。这使得他们的系统能够创建比其他方法更复杂的形状。
“现在你可以在计算管道中无缝地完成所有这些步骤。有了我们的系统，你可能会创造出更好的设备，因为你可以探索从未用人工方法研究过的新设计。也许有一些形状是专家们还没有探索过的，”电气工程和计算机科学研究生李一飞说，她是一项研究的主要作者纸详细说明系统。
优化管道从一个空白的三维区域开始，该区域被划分为一个由小立方体组成的网格。这些体素中的每一个都可以用来形成流体装置形状的一部分。
他们的系统与其他优化方法的一个区别是它如何表示或“参数化”微小的体素。体素被参数化为各向异性材料，根据施加在其上的力的方向给出不同的响应。例如，木头在垂直于纹理的力作用下就弱得多。
该团队使用这种各向异性材料模型将体素参数化为完全固体(如设备的外部)，完全液体(设备内的流体)，以及存在于固体-流体界面的体素，它们具有固体和液体材料的特性。
他们的计算管道也以不同的方式思考体素。该系统不只是将体素作为3D构建块，而是可以调整每个体素的表面角度，并以精确的方式改变其形状。体素可以形成平滑的曲线，从而实现复杂的设计。
一旦他们的系统使用体素形成了一个形状，它就会模拟流体如何流经该设计，并将其与用户定义的目标进行比较。然后它调整设计以更好地满足目标，重复这种模式，直到找到最佳形状。然后，设计可以由用户3d打印。
研究人员利用这项技术创造了复杂的结构来运输液体，以及一个螺旋桨形状的“流体扭转器”。
Li计划通过使用更复杂的流体模拟模型来增强该系统。这将使管道能够在更复杂的流程环境和更复杂的应用程序中使用。
这项研究得到了美国国家科学基金会和国防高级研究计划局(Darpa)的支持。
合著者包括杜涛(Tao Du)，前计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)博士后，现任清华大学助理教授，资深作者Wojciech Matusik, CSAIL电气工程和计算机科学教授，以及来自威斯康星大学麦迪逊分校、光速工作室和达特茅斯学院的其他人。
这项研究将在ACM SIGGRAPH亚洲2022．
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