CAREER: Coupling Geometry Acquisition and Digital Fabrication

职业:几何采集和数字制造的耦合

基本信息

  • 批准号:
    1652515
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 55.38万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-02-01 至 2022-01-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

3D scanning and digital fabrication technologies are rapidly evolving, and their combination has the potential to dramatically change the way we design functional objects by enabling the fabrication of objects with an unprecedented geometrical complexity while drastically speeding up the design iterations. The goal of this project is to lay the algorithmic foundation for tightly integrating 3D scanning and digital fabrication, to support new applications in life sciences and medicine. To this end, the research will transform the traditional geometry processing pipeline by proposing a new data representation and new algorithms specifically designed to support fabrication and scanning. In contrast to traditional global optimization methods, which struggle to deal with massive and noisy datasets, the PI focuses on semi-local algorithms that are robust, easy to parallelize and have a small memory footprint. The research will have two major thrusts: Scanning for Fabrication (ScanFab), and Fabrication for Scanning (FabScan). The ScanFab pipeline will support medical applications that require the design of customized medical devices and prostheses; to validate its effectiveness, the PI will collaborate with corporate partner Sonova to acquire and reconstruct the geometry of the ear canal, and to provide interactive techniques for designing the next generation of customized hearing aids. The FabScan thrust will lead to the development of a novel microscopy technique for estimating 2D and 3D traction forces on the surface of cells, which will be fundamental to understanding cell migration in development and cancer genesis; the technique will be developed in collaboration with the Dept. of Mechanical and Process Engineering at ETH Zurich, and will be evaluated in a large biological study in collaboration with the medical school in the University of Milano. The developed techniques will be integrated into the PI's open-source library, to allow the research community to directly benefit from these contributions.In ScanFab, the PI introduces an integrated pipeline to acquire, modify, simulate, and fabricate a variant of an existing 3D object. The pipeline is based on T-meshes, a geometrical representation that combines the benefits of coarse and highly structured quadrilateral meshes with the efficiency and flexibility of triangle meshes. The research will tackle: (1) the interactive and out-of-core conversion of point clouds to T-meshes; (2) the interactive editing of the reconstructed surfaces while ensuring fabricability; (3) the physical simulation of the new geometry to study its mechanical properties before fabrication, using a Finite Element Method (FEM). In FabScan, the pipeline will be reversed to sense forces at the microscopic level. The PI will fabricate a microstructure with a known geometry and physical properties, apply loads to it, and then acquire the deformed geometry via 3D confocal microscopy. The traction forces will be accurately reconstructed by solving an inverse FEM problem, combining the knowledge of the initial and of the deformed geometry.
3D 扫描和数字制造技术正在迅速发展,它们的结合有可能极大地改变我们设计功能物体的方式,能够制造具有前所未有的几何复杂性的物体,同时大大加快设计迭代。 该项目的目标是为紧密集成 3D 扫描和数字制造奠定算法基础,以支持生命科学和医学领域的新应用。 为此,该研究将通过提出专门用于支持制造和扫描的新数据表示和新算法来改变传统的几何处理流程。 与传统的全局优化方法相比,传统的全局优化方法难以处理大量且嘈杂的数据集,PI 专注于半局部算法,这些算法稳健、易于并行化且内存占用较小。 该研究将有两个主要重点:扫描制造(ScanFab)和制造扫描(FabScan)。 ScanFab 管道将支持需要设计定制医疗设备和假肢的医疗应用;为了验证其有效性,PI 将与企业合作伙伴 Sonova 合作,获取并重建耳道的几何形状,并为设计下一代定制助听器提供交互技术。 FabScan 的推动力将促进一种新型显微技术的发展,用于估计细胞表面的 2D 和 3D 牵引力,这对于理解发育中的细胞迁移和癌症发生至关重要;该技术将与苏黎世联邦理工学院机械与过程工程系合作开发,并将与米兰大学医学院合作进行大型生物学研究评估。 开发的技术将集成到 PI 的开源库中,使研究社区能够直接从这些贡献中受益。在 ScanFab 中,PI 引入了一个集成管道来获取、修改、模拟和制造现有 3D 的变体目的。 该管道基于 T 网格,这是一种几何表示形式,结合了粗略和高度结构化的四边形网格的优点以及三角形网格的效率和灵活性。 该研究将解决:(1)点云到T-mesh的交互式和核心外转换; (2)在保证可制造性的同时对重建表面进行交互式编辑; (3) 使用有限元方法 (FEM) 对新几何形状进行物理模拟,以在制造前研究其机械性能。 在 FabScan 中,管道将被反转以感测微观水平的力。 PI 将制造具有已知几何形状和物理属性的微结构,对其施加载荷,然后通过 3D 共焦显微镜获取变形的几何形状。 通过求解反有限元问题,结合初始几何和变形几何的知识,可以准确地重建牵引力。

项目成果

期刊论文数量(50)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Deformation Capture via Soft and Stretchable Sensor Arrays
  • DOI:
    10.1145/3311972
  • 发表时间:
    2019-04-01
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Glauser, Oliver;Panozzo, Daniele;Sorkine-Hornung, Olga
  • 通讯作者:
    Sorkine-Hornung, Olga
Poly-Spline Finite-Element Method
  • DOI:
    10.1145/3313797
  • 发表时间:
    2018-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    T. Schneider;Jérémie Dumas;Xifeng Gao;M. Botsch;Daniele Panozzo;D. Zorin
  • 通讯作者:
    T. Schneider;Jérémie Dumas;Xifeng Gao;M. Botsch;Daniele Panozzo;D. Zorin
Exact and efficient polyhedral envelope containment check
  • DOI:
    10.1145/3386569.3392426
  • 发表时间:
    2020-07
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Bolun Wang;T. Schneider;Yixin Hu;M. Attene;Daniele Panozzo
  • 通讯作者:
    Bolun Wang;T. Schneider;Yixin Hu;M. Attene;Daniele Panozzo
Half-Space Power Diagrams and Discrete Surface Offsets
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  • DOI:
    10.1145/3386569.3392451
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Tozoni, Davi Colli;Dumas, Jeremie;Jiang, Zhongshi;Panetta, Julian;Panozzo, Daniele;Zorin, Denis
  • 通讯作者:
    Zorin, Denis
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  • 通讯作者:
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    2018
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