一个研究团队创建了Morpho，一个开源可编程环境，使研究人员和工程师能够对软材料进行形状优化和设计。其应用可以涉及从人造心脏到模仿肉体和软组织的机器人材料等各个领域。
当机械和结构工程师设计机器、桥梁和建筑物时，他们计算金属、钢、混凝土、玻璃、木材和塑料的负载、应力和变形，以找到以最小材料成本承载负载的最佳几何形状。
对于相对坚硬的、不容易变形的材料，通常使用软件来计算和优化结构，采用的数学模型是经过充分理解且容易应用的。
但随着设计挑战的扩大，涉及软材料的东西越来越多——生物材料、工程组织、膜，甚至对电磁场做出反应的形状变换流体。预测这些软和流动材料如何反应于力比预测硬材料的行为更具挑战性。现实世界中的应用可以包括人造心脏和心脏瓣膜的设计，或模仿肉体和软组织的机器人材料。
为了应对这一挑战，塔夫茨大学的研究团队在物理学教授Tim Atherton的领导下创建了Morpho，这是一种开源可编程环境，使研究人员和工程师能够解决软材料的形状优化问题。最近在《自然计算科学》上描述的软件旨在易于使用、免费使用，并适用于广泛的场景。在开发该软件的团队中，还有数学教授James Adler和物理学博士后学者Chaitanya Joshi。
“许多在科学和工程中有趣的东西都是形状优化问题，”Atherton说。这可能意味着制定一个城市以适应交通和行人的最佳轮廓，或是河床的形状，水在其上流动。那么问题是，如何制造在不同力量、光线、温度下以不同方式反应的柔性材料。
“传统建模包用于刚性结构的几何优化，通常不被设计用来解决软材料的形状优化问题，”他说。“工程师通常需要为软材料制定自己的数学公式，这可能很具挑战性。Morpho提供了一套工具，帮助任何人方便地解决这些问题。”
软材料在其环境反应中具有固有的复杂性。例如，膜可能容易受到压缩、液体流动、压力和振动的影响。颗粒材料在运动时可能会经历随机的湍流。它们的最终形状可能与起始点大相径庭，相对于刚性结构的可预测性较低。
Morpho程序采用一种称为有限元的方法对软材料进行建模，数学上将其划分为小而简单的形状（如三角形或四面体的二维或三维形状），同时为每个形状周围的节点生成建模材料属性、力和边界约束的方程。然后，整个方程组被求解，以预测系统的最佳形状。
除了软材料，该程序还可以建模包装问题，无论是制药、咖啡还是葡萄酒中的颗粒流动（是的，它们的特性主要由于这些流体中的颗粒）还是公司如何最佳地包装和运输产品，以最小化空间和包装材料的使用。
Morpho还可以建模异质系统，这些系统包括硬和软组件。例如，心血管支架是一个金属网状结构，周围是心脏和动脉的软组织。研究人员可以利用Morpho建模软件对支架的预期性能有更好的了解。
“你真的不需要很多培训就可以使用这个程序解决复杂问题，”Atherton说。“我见过本科生在学习Morpho几周内就使用该软件解决研究级别的问题，这真是太惊人了。”
