让超级计算机从零设计飞机机翼，结果它选择了鸟的翅膀

原文以Supercomputer redesign of aeroplane wing mirrors bird anatomy为标题

发布在2017年10月4日的《自然》新闻上

原文作者：Elizabeth Gibney

通过算法设计出来的机翼结构与鸟骨结构相似。

工程师使用一种模仿自然选择的超级计算技术，从零开始设计一架飞机机翼的内部结构。根据所得的蓝图，重新设计出来的机翼不仅比现存机翼更轻，而且更接近于自然形态，比如鸟的翼骨，这些并未出现在现有的飞机设计中。这个有机机翼和传统机翼一样坚硬，但是更轻，因此每架飞机每年最多可以节约200吨的燃料。

传统机翼由直杆和支柱支撑，但是一台超级计算机提出了一种更加有机的设计。

Samuel Taylor/Alamy

伦敦帝国理工学院的航空工程师Matthew Santer说：“这鲜明地展示了如何在高分辨率下应用基于计算的优化方法。”他补充表示该方法可被用于设计过程，不过要以其当前形式用于航天应用仍面临诸多挑战。

该项目的领导人、丹麦科技大学的工程师Niels Aage说，虽然工程师使用这类优化技术已有20年的历史了，但是处理的只是一些较小尺度的问题，比如个别机翼组件，或者更简单的结构。这一次，Aage和同事用法国的居里超级计算机提高分辨率，对一架波音777的27米长机翼进行建模。

他们的团队从翼型入手（已经经过优化达到最大升力和最小阻力），将其分割成11亿个3D像素，也就是“体素”。每一个体素大致和最小的乐高积木同等大小——此分辨率比之前的要高出约200倍。首先，算法模拟每个体素受到的力，然后将材料分配到机翼受到负重的地方。在没有人类指导的情况下，该程序将以上分析过程重复几百次，根据每个体素受到的压力添加或移除材料，直到达到最优设计。Aage说：“机翼的结构在每一个设计周期中都在不断演化，这个过程和自然演化极其相似。”

有机设计

不同于传统机翼的是，利用算法得出的新结构不含一般布有多个侧撑的直梁。相反，这个设计看上去更接近生物形态。弧形翼梁在机翼后缘散开，形似鸟翼的骨头，机翼前缘的复杂支撑结构看起来像鸟喙的内部结构。

作者解释说，该设计没有降低刚度（变形阻力），比传统结构的机翼重量低2-5%。也就相当于每个机翼减轻200-500公斤，这有望使每架飞机每年节约40-200吨燃料。Aage认为该技术也可被用于其它产业，比如可用于设计地震区的高楼，既保持它们的刚度，又能抵抗地震震动。另外也可用于优化声学系统、通风系统和天线。

华中科技大学的计算机工程师夏凉表示，该技术的高分辨率使计算机能够设计从几毫米到几十米的结构，或将为其它领域带来更具创意性的设计。但是他强调，运行该算法会对计算机造成重大负荷——相当于一台标准计算机连续运行100年。不过，如果研究团队采用更先进的模拟方法（比如用于人工智能的模拟方法），计算成本有可能降低，这样的模拟方法实际只对部分机翼进行如此高分辨率的建模。

尽管如此，上述机翼设计过于复杂，无法通过现有方法制造出来。如果要制作，必须用到巨型3D打印机。但就现在来说，可以取其长处，与传统制造方式相结合，优化所要生产的结构。Aage表示：“我们的设计正在加速演化，这意味着我们能够看到理想的设计状态，然后提炼关键特性——或者是那些可以实现的特性。”

Naturedoi:10.1038/nature.2017.22759