- Dự án tạo ra một tác phẩm nghệ thuật có cấu trúc phức tạp bằng cách kết hợp in 3D và tạo sinh thủ tục
- Được xây dựng bằng thuật toán sinh đường đi nối các điểm được bố trí ngẫu nhiên bằng spline và kiểm soát độ dốc cùng bán kính quay
- Để giải quyết bài toán kiểm soát tốc độ và ma sát, dự án thiết lập bán kính quay tối thiểu và áp dụng độ nghiêng quá mức để đảm bảo độ ổn định của đường ray
- Các giá đỡ được tạo dựa trên hệ hạt, đồng thời cân nhắc cả hình thức thẩm mỹ lẫn độ ổn định kết cấu
- Dự án đã vượt qua giới hạn của OpenSCAD, và trong tương lai có kế hoạch viết lại dựa trên SDF và cải thiện mô hình hóa tốc độ
Tổng quan dự án
- Marble Fountain là một cấu trúc nghệ thuật phức tạp được in bằng máy in 3D bằng kỹ thuật tạo sinh thủ tục
- Sau khi gia nhập Formlabs và có thể sử dụng máy in hiệu năng cao, tác giả đã thử tạo một cấu trúc thuật toán quy mô lớn
- Đây là công trình được thiết kế với mục tiêu trở thành “tác phẩm nghệ thuật phức tạp nhất”
- Trong in 3D, độ phức tạp không ảnh hưởng đến chi phí, và giới hạn của thiết kế được quyết định bởi thời gian làm việc trong CAD
Đường ray (Tracks)
- Hệ thống ban đầu được cấu thành theo cách bố trí điểm ngẫu nhiên → nối bằng spline → gán độ dốc cố định
- Phiên bản đầu tiên đơn giản là khoét các ống ra khỏi một cấu trúc rắn, nhưng để mở rộng chức năng đã bổ sung thuật toán giải đường đi (path solver)
- Bộ giải đường đi bắt đầu bằng một chuỗi đoạn thẳng ngẫu nhiên nối phần trên và phần dưới
- Điều kiện ban đầu ảnh hưởng lớn đến hình dạng cấu trúc, và nhiều biến thể thuật toán đã được thử nghiệm
- Các điểm trên đường đi tuân theo các quy tắc sau
- Duy trì bên trong hộp biên
- Giữ khoảng cách đồng đều
- Bị kéo về một độ cao nhất định để duy trì độ dốc cố định
- Giới hạn bán kính quay tối thiểu và tối đa
- Đẩy lùi lẫn nhau với các đường ray khác và các đoạn xa của chính đường ray đó
- Làm mượt thay đổi độ dốc và ngăn độ dốc tăng lên
- Bài toán kiểm soát tốc độ phức tạp hơn dự đoán
- Viên bi không chuyển động như một khối lượng điểm, và sự thay đổi độ nghiêng của đường ray ảnh hưởng đến quán tính quay và ma sát
- Trên đoạn thẳng, tốc độ tăng quá mức; còn ở khúc cua gắt, nguy cơ dừng lại xuất hiện do giảm tốc
- Giải pháp là thiết lập bán kính quay tối thiểu và áp dụng độ nghiêng quá mức để buộc tiêu hao tốc độ
- Cấu trúc nâng hoạt động giống như vít me bi (ball screw)
- Các viên bi ràng buộc trục vít từ mọi phía nên nó có thể quay mà không cần ổ trục phía trên
- Khi chỉ có bi ở một phía, xuất hiện chế độ lỗi với rung động mạnh khiến toàn bộ bi văng khỏi đường ray
Giá đỡ (Supports)
- Việc tạo giá đỡ được triển khai bằng xử lý lặp top-down dựa trên hệ hạt
- Tác giả dành nhiều thời gian hơn để điều chỉnh hình thức thẩm mỹ thay vì xử lý va chạm kết cấu
- Chủ động tận dụng giới hạn overhang mà máy in cho phép
- Quy tắc hoạt động của từng giá đỡ
- Hút về phía nhau với các giá đỡ khác theo khoảng cách và độ tương đồng về kích thước
- Đẩy nhau ra với các giá đỡ khác
- Duy trì bên trong hộp biên
- Giữ một bán kính nhất định so với tâm cấu trúc
- Các giá đỡ có quán tính (inertia), nhờ đó hình thành cấu trúc cong dạng vòm
Kế hoạch tiếp theo (Looking forward)
- Thời gian xuất mô hình cuối cùng mất 5~20 phút
- Vẫn còn dư địa tối ưu do các giới hạn của OpenSCAD
- Trong tương lai có cân nhắc viết lại dựa trên thư viện SDF
- Hệ thống hiện tại không có chức năng ước lượng tốc độ, mà phụ thuộc vào các heuristic đơn giản
- Việc đo tốc độ bằng camera có thể giúp xây dựng mô hình gia tốc để tiết kiệm thời gian
- Việc duy trì độ dốc cố định bất lợi cho tránh va chạm nhưng lại cần thiết cho kiểm soát tốc độ
- Có kế hoạch tìm kiếm điểm tới hạn (response curve) tại đó bề mặt bắt đầu trượt
Nhìn lại (Looking back)
- Đây là dự án cá nhân lớn nhất được thực hiện trong khoảng 7 tháng, từ tháng 2 đến tháng 9 năm 2024
- Đã có giai đoạn dồn sức vào phút cuối để chuẩn bị trưng bày tại New Alliance Gallery, Somerville
- Trong thời gian triển lãm, mỗi giờ mất 2~3 viên bi, và do động cơ quá nhiệt nên chỉ có thể vận hành trong vài giờ
- Dự án đã bị tạm dừng vì làm việc quá sức và được công bố sau 1 năm
- Tác giả gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp Alex vì các lời khuyên, phản hồi và vô số thử nghiệm với viên bi
Tóm tắt kỹ thuật
- Công nghệ sử dụng: Procedural Generation, 3D Printing, Python, OpenSCAD
- Đặc điểm cấu trúc: thuật toán giải đường đi + hệ giá đỡ dựa trên hạt
- Mục tiêu nghệ thuật: kết hợp độ phức tạp cơ khí với các đường cong thẩm mỹ
- Không có thêm thông tin trong nguyên bản
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Cách tiếp cận dùng mô phỏng hạt để tạo ra cấu trúc đỡ dạng cây hữu cơ thực sự rất sáng tạo
Theo cách tôi hiểu thì có vẻ họ đã định nghĩa các quy luật vật lý rồi ánh xạ trục ‘thời gian’ sang trục z để chạy mô phỏng
Tôi tò mò không biết đây là một phương pháp đã được biết đến, hay là do họ tự nghĩ ra. Dù sao thì độ hoàn thiện về mặt thẩm mỹ của thành phẩm cũng rất xuất sắc, khiến tôi muốn tự thử nghiệm
Các nhà thiết kế đài phun bi bằng đá cẩm thạch thường gặp vấn đề bi trật khỏi đường ray nếu không dùng máy tính
Họ phải quan sát bi bật ra khỏi ray hoặc bị kẹt, đoán nguyên nhân rồi chỉnh thủ công
Nhưng điều ấn tượng ở tác phẩm này là bi không văng ra ngoài trong suốt nhiều giờ
Đường ray được cấu tạo từ hai thanh ray nên viên bi luôn tiếp xúc tại hai điểm
Có vẻ mấu chốt là duy trì độ nghiêng banking hoàn hảo để trọng lực và lực ly tâm cân bằng với nhau
Đường ray được nghiêng rất mạnh để viên bi không tăng tốc quá mức hoặc văng ra ngoài
Vì vậy tất cả các viên bi đều đi xuống êm ái với tốc độ gần như giống nhau
Tuy vậy, cứ khoảng 30 phút vẫn có một viên bị trật ray. Tôi quay video để tìm ra đoạn có vấn đề, rồi cải thiện bằng cách chỉnh mã generator và in lại thay vì chỉnh tay
Tôi cũng đang cân nhắc gắn thêm một vòng phản hồi bằng camera, nhưng có lẽ đó sẽ là một dự án khác
Tác phẩm này thực sự rất đẹp. Sẽ rất hay nếu có thể dùng đường ray để mã hóa/giải mã âm thanh
Ý là tạo ra các tần số khác nhau bằng chuyển động của những viên bi
Có lẽ nếu dùng vật liệu linh hoạt hơn hoặc ổ bi lớn hơn thì có thể làm được, nhưng trước mắt tôi tập trung hoàn thành phiên bản thông thường trước
Liên kết YouTube
Tôi nghĩ đây là một ví dụ cho thấy trường hợp sử dụng lý tưởng của máy in 3D
Để tạo ra đường ray bi chuyển động mượt như vậy và những hình dạng hữu cơ bằng cách khác hẳn sẽ tốn công khủng khiếp
Video được làm rất tốt. Chỉ với lời thuyết minh đơn giản và nhạc đồng bộ, cùng với bản thân tác phẩm, mọi thứ đã được giải thích đầy đủ. Rất tuyệt
Tôi cực kỳ thích tác phẩm này. Nó có đầy những yếu tố ‘thỏa mãn một cách kỳ lạ’
Tôi cũng đang dùng đường ray bi để giải thích xác suất cho bọn trẻ, nên khi thấy thứ này trên HN, tôi có cảm giác như ai đó vừa đọc được suy nghĩ của mình
Chuyển động đơn giản nhưng thôi miên và đẹp mắt của nó thật ấn tượng
Lửa cháy, sóng biển, dòng sông, màn hình TV... tất cả đều khiến ta nhìn mãi vì cùng một lý do
Điều lạ là đường ray bi này thực ra là một hệ thống có thể dự đoán được, vậy mà vẫn khiến người ta tiếp tục theo dõi
Tôi cũng muốn thấy một phiên bản có LED gắn vào vật liệu màu trắng hoặc trong suốt. Chắc nó sẽ trông như một con đường cầu vồng
Tôi cũng đang làm một dự án tương tự
Dùng Python, Build123D và máy in 3D, tôi đang tạo ra đường ray bi dựa trên sinh thủ tục
Tôi tò mò không biết khi công nghệ này mở rộng ra thì quy mô sáng tạo nào sẽ trở nên khả thi
Ý tôi là những tòa nhà được lắp ghép theo từng khối, một thế giới Minecraft ngoài đời thực
Ngoài ra trong phim Fracture cũng có xuất hiện một cỗ máy bi rất ấn tượng
Liên kết YouTube