This paper presents a computational method for generating virtual 3D morphologies of functional materials using low-parametric stochastic geometry models, i.e., digital twins, calibrated with 2D microscopy images. These digital twins allow systematic parameter variations to simulate various morphologies, that can be deployed for virtual materials testing by means of spatially resolved numerical simulations of macroscopic properties. Generative adversarial networks (GANs) have gained popularity for calibrating models to generate realistic 3D morphologies. However, GANs often comprise of numerous uninterpretable parameters make systematic variation of morphologies for virtual materials testing challenging. In contrast, low-parametric stochastic geometry models (e.g., based on Gaussian random fields) enable targeted variation but may struggle to mimic complex morphologies. Combining GANs with advanced stochastic geometry models (e.g., excursion sets of more general random fields) addresses these limitations, allowing model calibration solely from 2D image data. This approach is demonstrated by generating a digital twin of all-solid-state battery (ASSB) cathodes. Since the digital twins are parametric, they support systematic exploration of structural scenarios and their macroscopic properties. The proposed method facilitates simulation studies for optimizing 3D morphologies, benefiting not only ASSB cathodes but also other materials with similar structures.


翻译:本文提出一种计算框架,通过低参数随机几何模型(即数字孪生体)生成功能材料的三维虚拟形貌,并利用二维显微图像进行标定。这些数字孪生体支持系统性的参数调整以模拟不同形貌,进而可通过空间分辨的宏观性能数值模拟实现虚拟材料测试。生成对抗网络(GANs)已广泛用于模型标定以生成逼真的三维形貌,但其通常包含大量不可解释参数,难以在虚拟材料测试中实现形貌的系统性调控。相比之下,低参数随机几何模型(如基于高斯随机场)虽支持定向调控,却难以复现复杂形貌。将GANs与先进随机几何模型(如更广义随机场的偏移集)相结合可突破这些局限,实现仅依靠二维图像数据的模型标定。本研究以全固态电池(ASSB)阴极的数字孪生构建为例验证该方法。由于数字孪生具有参数化特性,其支持对结构场景及其宏观性能的系统性探索。所提方法为优化三维形貌的模拟研究提供了有效工具,不仅适用于ASSB阴极,也可推广至其他具有类似结构的材料体系。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
163+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
28+阅读 · 2021年10月1日
VIP会员
相关资讯
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
6+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员