2017年8月4日，Nature上刊登了一篇短文(Letter)，介绍了用于结构设计的一个名为“Giga-voxel”的计算形态方法，简单地来说，就是模仿大自然的自然选择策略，开发了一个计算工具，它可以用于结构设计，以优化材料分布，提高性能并降低成本。这项技术特别适用于工业产品设计，例如助听器、汽车、飞机机翼、风电叶片以及任何结构部件。作者单位还是我们熟知的风电Top 1：丹麦的DTU大学。
飞机机翼设计案例：文章以飞机机翼的内部结构设计为例，展示了使用这种工具进行优化的结果。
鸟喙的巧妙结构
拓扑优化（Topology Optimization）：这是一种计算机辅助设计方法，通过重新分配材料在设计域内的分布来优化结构设计，通常用于机械工程设计，如汽车和航空工业。
a 展示了全翼结构形态发生过程的步骤，以从翼根数起第三个连接器周围的切片为例。
优化后的全翼设计在从数十米到毫米的不同长度尺度上都有前所未有的结构细节，并且与自然中的骨骼结构（如犀鸟的鸟喙）有着惊人的相似性。b 使用增材制造技术打印的翼部小节，揭示了优化翼的复杂但非常规则的结构的额外细节。
c. 犀鸟的喙具有与优化飞机机翼相似的内部结构。
使用giga-voxel形态发生过程优化的飞机机翼结构的结果。在形态发生过程的400步后，移除了固定的上层以展示内部细节。没有对机翼结构的内部几何形状做出任何先验假设，因此所有复杂的细节，如弯曲的翼梁、桁架和墙体结构，都是优化过程自发产生的结果。
飞机机翼设计细节
全翼模型的渲染图。所有荷载工况都使用根部的对称条件（橙色），只有最顶层的单元是完全固定的（红色）。右下角的插图显示了压力系数 Cp在两个空气动力学载荷工况中，左上角的插图表示第三个载荷工况（紫色箭头）的模拟发动机载荷的位置和方向。以蓝色突出显示的部分标记了上图a、b 中使用的切口区域。
扩展数据图3: 展示了不同加载情况下的NASA通用研究模型（蓝色）和优化的翼盒结构（灰色）的顶视图。
a. 单一0°攻角负载的优化设计。
b. 单一4°攻角负载的优化设计。
c. 0°和4°攻角两个负载的优化设计。
d. 包括发动机负载和0°及4°攻角两个气动负载的三个负载的优化设计。
重量减轻与燃油消耗降低：通过优化设计，预计可以比目前使用的飞机翼设计减轻2-5%的质量，这转化为每架飞机每年可减少约40-200吨的燃油消耗。
喷气发动机支架
该图说明了喷气发动机支架的形态发生设计。a 设计领域和四种荷载方案（彩色箭头）。b 设计演变的快照。c 最终钛支架设计的效果图。
扩展数据图1: 展示了使用形态发生过程设计喷气发动机支架的示意图。
a. 展示了设计域以及四个加载情况。
b. 展示了设计演变过程中的快照。
c. 展示了最终的钛支架设计的渲染图。
扩展数据图2: 展示了翼设计模型问题的渲染图，包括所有加载案例在根部使用对称条件，只有最顶层的元素被完全固定。
下方视频演示了支架的优化计算过程。
弯曲翼梁的刚度对比
展示了根据弯曲翼梁尺寸（h/H）变化的刚度改善百分比图。红线、蓝线和绿线分别对应纵横比为4、6和8的扭转箱。使用简化的翼盒模型来估计非传统翼肋几何形状的刚度增益。左侧: 传统直肋的优化翼盒。右侧: 非传统肋的优化翼盒。
扩展数据表1: 展示了扩展数据图5中提出的后处理设计的性能，包括两种气动负载情况下的合规性，并以百分比形式展示了通过弯曲肋获得的改进。
其它结论
设计优化的限制和制造挑战：尽管优化设计显示出潜力，但在分析中只考虑了线性弹性，而包括各向异性和非线性材料、动态效应、屈曲、气动弹性等在内的更复杂因素则留给未来的研究。此外，目前制造这种复杂设计是不切实际的，但作者预计未来大规模的增材制造（3D打印）将是可能的。
文章最后指出，优化设计的结构与自然界中的骨骼结构相似，这并非巧合。Wolff定律指出动物骨骼会适应施加的负载，计算形态发生学的工作方式与之类似。
优化过程的挑战：为了解决超过十亿体素的问题，需要克服包括解决大型线性方程组、优化算法的定制、数据传输和可视化等几个非平凡的挑战。
超级计算机的使用：为了获得所展示的优化设计，需要访问具有大量计算资源的超级计算机，运行时间为1-5天，使用了8000个CPU。
代码在：https://github.com/topopt/TopOpt_in_PETSc上公开提供。
参考文献
[1] Aage, N., Andreassen, E., Lazarov, B. et al. Giga-voxel computational morphogenesis for structural design. Nature 550, 84–86 (2017). https://doi.org/10.1038/nature23911
