超材料的智能设计研究进展.docx

第37卷第1期

计算机辅助设计与图形学学报

Vol.37No.1

2025年1月

JournalofComputer-AidedDesignComputerGraphics

Jan.2025

超材料的智能设计研究进展

代铁琳1),金刘超2),尚宸3),翟晓雅1)*,傅孝明1),刘利刚1)

1)(中国科学技术大学数学科学学院合肥230026)

2)(香港中文大学机械与自动化工程学系香港999077)

3)(中国科学技术大学大数据学院合肥230026)(xiaoyazhai@)

摘要:超材料是一种人工合成材料,其结构经过精心设计和精密控制,表现出不同于自然材料的特殊性能,这些具有独特功能的超材料在光学、电磁学、声学、力学等领域具有重要的应用价值.然而,传统的超材料设计通常依赖于人工经验,导致设计周期长,缺乏灵活性和可调性,难以实现大规模快速设计与量产.高效设计与性能调控超材料已成为CAD、机械工程和材料科学的重要研究方向.近年来,随着人工智能算法的快速发展,智能算法在超材料设计领域中的应用越来越广泛,展现出高效优化、生成多样性结构、缩短设计周期等优势.文中对超材料的智能设计研究进展进行综述,首先介绍超材料的基本概念和发展历史;然后从实际需求出发,阐述了超材料的应用领域与设计问题;提出了智能设计算法的核心问题是数据的表示与数据集的构建,针对这2方面进行详细的阐述与对比分析;还介绍了智能优化算法的框架;最后总结超材料设计领域所面临的高质量数据集匮乏、多目标优化难题、高分辨率超材料的高效计算等挑战,并展望了该领域未来的发展趋势即面向多样化功能需求的“可表达”“可编辑”“可分析”“可优化”和“可制造”的研究.

关键词:超材料设计;智能算法;几何表示;结构优化;超材料数据集

中图法分类号:TP391.72DOI:10.3724/SP.J.1089.2024-00279

AdvancesinIntelligentDesignofMetamaterials

DaiTielin1),JinLiuchao2),ShangChen3),ZhaiXiaoya1)*,FuXiaoming1),andLiuLigang1)

1)(SchoolofMathematicalSciences,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026)

2)(DepartmentofMechanicalandAutomationEngineering,ChineseUniversityofHongKong,HongKong999077)

3)(SchoolofDataScience,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026)

Abstract:Metamaterialsareartificiallysynthesizedmaterialswhosestructuresaremeticulouslydesignedandpreciselycontrolledtoexhibituniquepropertiesnotfoundinnaturalmaterials.Thesefunctionalmet-amaterialshavesignificantapplicationsinfieldssuchasoptics,electromagnetics,acoustics,andmechanics.However,traditionalmetamaterialdesignoftenreliesonhumanexpertise,resultinginlengthydesigncycles,alackofflexibility,andlimitedtunability,whichhindertherapiddesignandmassproductionofmetamate-rials.Efficientdesignandperformancetuningofmetamate