研究人员模仿水和风如何在自然界中创造复杂的形状

星形沙丘或弧形岩石等错综复杂的自然地貌在形式上显得如此有目的性，以至于很容易怀疑是否有人设计了它们。科学家们早就认识到，在很长一段时间内，随机和混乱能量场的特定组合可以产生这种遍布全球的独特地层。然而，很少有人成功地复制大自然的触感。

芬兰阿尔托大学的研究人员现在找到了一种方法来模拟自然过程，借助振动板和由此产生的能量场，创造复杂的形状和景观。结果于 2021 年 9 月 22 日发表在《科学进展》上。

为了创造这种效果，该团队将多达 100 个微小金属球颗粒(如焊接中常用的那些)分布在一块 5x5 厘米的硅板上。摄像头和智能算法使团队能够跟踪和操纵粒子成所需的形状，如字母表中的字母，因为板振动，产生非线性能量场。

'我们使用相机来确定粒子的位置，算法会选择最合适的振动频率来将粒子移动到所需的方向。粒子根据振动频率以特定方向穿过板块，而相同的频率会导致板块不同部分的运动方向大不相同，”领导研究小组的周泉教授解释说。

研究人员对智能算法能够在不同频率下预测粒子运动的能力感到惊讶，尽管它们的运动很复杂。该算法有效地最小化了目标形状与板上实际颗粒分布之间的差异。

'粒子群的运动类似于自然现象，在自然现象中，自然材料是由风和水的力量塑造的。该方法应该适用于更小和更大的规模，并且可以在未来许多难以使用手或工具的应用中使用，”博士候选人 Artur Kopitca 说。

通常，制造具有特定形状的产品需要模具或熟练的双手。研究人员认为，他们受大自然启发的方法可用于医学和生物科学研究中的细胞分选或作为工业生产方法。

然而，一个仍然悬而未决的关键问题是可以控制多少粒子，以及如何将过程与具有类似动态特性的其他系统(例如湍流)集成在一起。

周教授的研究小组此前曾研究过振动板的特性以及它们如何用于引导粒子沿着特定路线或朝向最终目的地。这是他们第一次尝试通过模仿自然现象来创造形状。

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