近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)（USTC）聯(lián)合新疆師范大學(xué)、中關(guān)村人工智能研究院、香港理工大學(xué)，在數(shù)據(jù)驅(qū)動的多功能雙連通多尺度結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計領(lǐng)域取得重要突破。相關(guān)成果于 2026 年 1 月 8 日以“Data-driven Inverse Design of Multifunctional Bicontinuous Multiscale Structures”為題，發(fā)表于 Nature 旗下頂級綜合期刊Nature Communications。

該研究首次系統(tǒng)性解決了雙連通多尺度結(jié)構(gòu)長期存在的“難描述、難設(shè)計、難制造”核心瓶頸，為骨植入物、滲透器件、力學(xué)隱身結(jié)構(gòu)等復(fù)雜工程系統(tǒng)的智能化設(shè)計提供了全新的數(shù)據(jù)驅(qū)動范式。

• 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-68089-2
• 數(shù)據(jù)鏈接：https://drive.google.com/drive/folders/1VnNVyjxKFQPCH_YchG52gRw1zEXKMr2J
• 開源鏈接：https://github.com/llwang91/L-BOM/

向自然學(xué)習(xí)：破解雙連通多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵難題

在自然界中，雙連通多尺度結(jié)構(gòu)并不罕見。以松質(zhì)骨為例，其內(nèi)部由固體相與孔隙 / 流體相相互貫通，形成高度互聯(lián)的三維網(wǎng)絡(luò)，使結(jié)構(gòu)在保持輕量化的同時兼具優(yōu)異的力學(xué)性能與滲透能力。然而，在工程設(shè)計中復(fù)現(xiàn)這類 “自然結(jié)構(gòu)” 并不容易：一方面，缺乏可解析的數(shù)學(xué)模型，使得傳統(tǒng)建模與逆向設(shè)計方法難以直接應(yīng)用；另一方面，多尺度三維結(jié)構(gòu)的聯(lián)合優(yōu)化計算量隨規(guī)模呈指數(shù)級增長，連通性難以統(tǒng)一約束，成為制約工程應(yīng)用的核心難題。

圖 1 數(shù)據(jù)驅(qū)動的多功能雙連通多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計的動機、挑戰(zhàn)與工作流程。a 松質(zhì)骨；b 雙連通開孔結(jié)構(gòu)；c 邊界連接性；d 通過拓撲優(yōu)化（Opt.）與主動學(xué)習(xí)（AL）構(gòu)建的 L-BOM 數(shù)據(jù)集，其邊界 / 掩膜為相同的 “X” 形，右側(cè)為松質(zhì)骨的多尺度逆向 設(shè)計過程。

關(guān)鍵突破：一個簡單而深刻的結(jié)構(gòu)原理

針對上述難題，研究團隊提出了一個簡單卻具有高度普適性的核心原理：只要多尺度結(jié)構(gòu)中每一個微結(jié)構(gòu)單元同時具備雙連通性、開孔特征，并共享完全一致的邊界條件，無論其如何組合，整體結(jié)構(gòu)都能夠天然保持雙連通性。基于這一原理，團隊首次構(gòu)建了大規(guī)模三維數(shù)據(jù)集L-BOM（Large-range, Boundary-identical, Bicontinuous Open-cell Microstructure）。在統(tǒng)一邊界條件約束下，L-BOM 數(shù)據(jù)集不僅實現(xiàn)了雙連通微結(jié)構(gòu)的無縫拼接，還覆蓋了跨數(shù)量級的性能空間，并天然滿足制造與結(jié)構(gòu)連接約束，從而從根本上繞開了對解析建模的依賴，為多尺度結(jié)構(gòu)的高效逆向設(shè)計奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖 2 在四種不同邊界（Mask 1–4）條件下的 L-BOM 數(shù)據(jù)集示意圖。 a–c 為第一種邊界條件（Mask 1）的構(gòu)建流程： a 基于 Mask 1 通過優(yōu)化生成的初始數(shù)據(jù)集（21,620 個微結(jié)構(gòu)）； b 主動學(xué)習(xí)（AL）框架； c 經(jīng)過主動學(xué)習(xí)后的掩膜 1 最終數(shù)據(jù)集（106,445 個微結(jié)構(gòu)）。 d–f 為其余三種邊界（Mask 2–4）的初始與最終 L-BOM 數(shù)據(jù)集。 藍色箭頭表示多輪主動學(xué)習(xí)過程。

多尺度逆向設(shè)計閉環(huán)：效率提升 128 倍

在多尺度逆向設(shè)計閉環(huán)中，研究團隊以股骨植入物為代表性案例，采用 “自上而下” 的多尺度逆向設(shè)計流程，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性能與生物特征的高度協(xié)同匹配。設(shè)計結(jié)果在多個關(guān)鍵指標上與天然骨組織高度一致：在楊氏模量、孔徑和孔隙率等參數(shù)上實現(xiàn)精準匹配，并在剛度、滲透性與輕量化之間取得了更優(yōu)平衡；在結(jié)構(gòu)形態(tài)上，自然形成兼具致密骨板狀特征與松質(zhì)骨桁架狀特征的多尺度復(fù)合結(jié)構(gòu)。

與 IWP、BCC 桁架及旋節(jié)線等經(jīng)典結(jié)構(gòu)設(shè)計方法相比，該方法無需后期插值或額外拼接處理，整體計算效率顯著提升，且所生成結(jié)構(gòu)在形態(tài)與層級特征上更接近真實骨組織，體現(xiàn)出顯著的設(shè)計優(yōu)勢。

圖 3 致密骨與松質(zhì)骨植入物的多尺度設(shè)計。a 初始配置及優(yōu)化結(jié)果；b 多尺度結(jié)構(gòu)的匹配、組裝與求交過程；c 本研究結(jié)果（I）與三種典型結(jié)構(gòu)：IWP（II）、BCC truss（III）以及旋節(jié)線結(jié)構(gòu)（IV）的對比；d 展示了本研究的優(yōu)化結(jié)果與 IWP、BCC truss、旋節(jié)線結(jié)構(gòu)在松質(zhì)骨設(shè)計中的計算時間（T/s）、楊氏模量（E/MPa）及平均孔徑（APS/μm）的比較。

特別是在力學(xué)隱身斗篷等大規(guī)模、高復(fù)雜度任務(wù)中，該多尺度逆向設(shè)計閉環(huán)將原本 10 小時以上的計算時間壓縮至不足 5 分鐘，實現(xiàn)了 128 倍的效率提升。更重要的是，隨著結(jié)構(gòu)分辨率和問題規(guī)模的持續(xù)增大，這一效率優(yōu)勢不僅沒有衰減，反而進一步放大，展現(xiàn)出優(yōu)異的可擴展性與規(guī)?；瘽摿Α?/p>

圖 4 機械斗篷（20 × 20 × 20 單元）逆向設(shè)計結(jié)果。右側(cè)展示了優(yōu)化過程的迭代曲線，以及用于填充隱身體的微結(jié)構(gòu)的性能分布。

128 倍并非終點，而是多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計走向規(guī)?；瘧?yīng)用的起點。

可調(diào)滲透結(jié)構(gòu)：從仿真到實驗高度一致

研究團隊還設(shè)計并制造了4×4×1 雙連通多尺度過濾結(jié)構(gòu)，并對其流體性能進行了系統(tǒng)驗證。結(jié)果表明，基于 L-BOM 數(shù)據(jù)集構(gòu)建的結(jié)構(gòu)在滲透率和比表面積（S/V）等關(guān)鍵指標上顯著優(yōu)于傳統(tǒng) TPMS 結(jié)構(gòu)（如 Gyroid、Diamond 和 IWP）。同時，數(shù)值計算、仿真分析與實驗測量結(jié)果高度一致，在高孔隙率樣品中，實測流速與數(shù)值預(yù)測幾乎完全重合，驗證了該方法在保持整體雙連通性的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)對流體通道結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，顯示出在過濾與流體調(diào)控器件中的應(yīng)用潛力。

圖 5 過濾裝置的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計。a 過濾裝置的初始設(shè)置（4×4×1 個單元）；b 比較了 Mask 2 數(shù)據(jù)集中的微結(jié)構(gòu)與三種 TPMS 結(jié)構(gòu)（Gyroid、Diamond 和 IWP）在孔隙率 (1?V)、比表面積 (S/V) 和滲透率方面的差異；d 在孔隙率為 0.8 的條件下，對比了所設(shè)計結(jié)構(gòu)與 Gyroid、Diamond 和 IWP 結(jié)構(gòu)的性能，并展示了各自的流體仿真結(jié)果；e 對六種結(jié)構(gòu)（IWP、Diamond、Gyroid 以及優(yōu)化后的多尺度設(shè)計 M16、M19、M20）進行了滲透率實驗驗證。

研究意義：為 AI 設(shè)計復(fù)雜結(jié)構(gòu)打開新范式

該研究提出了雙連通多尺度結(jié)構(gòu)的可組合設(shè)計原理，首次構(gòu)建了覆蓋大范圍性能空間、具備統(tǒng)一邊界條件且可實現(xiàn)無縫拼接的四個三維雙連通開孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集，并將生成式人工智能方法真正引入到具備工程可制造性的結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計中。同時，研究在力學(xué)與流體等多個物理場景下完成了數(shù)值計算與實驗測量的雙重驗證?；谏鲜龇椒ǎ蓮V泛應(yīng)用于定制化骨植入物、力學(xué)隱身與超材料、滲透與過濾器件以及多物理場協(xié)同結(jié)構(gòu)設(shè)計等領(lǐng)域，為多功能結(jié)構(gòu)材料的智能逆向設(shè)計奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

中科大計算幾何小組研究團隊負責(zé)人表示：“作為長期深耕計算幾何與計算機圖形學(xué)的研究團隊，我們將繼續(xù)探索基礎(chǔ)理論、核心算法與前沿應(yīng)用的交叉融合，推動幾何計算方法在復(fù)雜形狀建模、仿真分析與智能設(shè)計等方向的持續(xù)突破。面向未來，團隊將持續(xù)深入超材料這一前沿探索領(lǐng)域，圍繞多尺度結(jié)構(gòu)表征、性能預(yù)測與可制造約束下的智能優(yōu)化等關(guān)鍵問題開展系統(tǒng)研究，形成可復(fù)用的設(shè)計理論與工具鏈。與此同時，我們也將積極推動相關(guān)成果在先進制造、航空航天、機器人與能源等場景落地，加速從算法創(chuàng)新到工程應(yīng)用的轉(zhuǎn)化，為產(chǎn)業(yè)升級與社會發(fā)展創(chuàng)造更大價值?！?/p>