Marble Fountain
大理石喷泉：程序生成硬件驱动艺术作品
本文讲述了作者利用程序生成技术和3D打印制造“大理石喷泉”艺术作品的过程，并分享了其设计和实现中的挑战与思考。
项目背景与目标：
作者在Formlabs工作后，拥有了更高级别的3D打印机，并希望挑战大型算法结构项目。目标是创造一个复杂程度尽可能高的艺术作品，充分利用3D打印的几何设计自由度。
核心系统：轨道 (Tracks)
- 初始设计： 最初的轨道系统通过在顶部和底部随机放置点，然后通过这些点绘制带有恒定斜率的样条曲线来实现。这种方法通过从实体支撑结构中减去管子来构建，但功能有限。
- 路径求解器： 为了最大化运动量，作者开发了一个路径求解器，旨在将运动尽可能地填充到打印机的体积内。
- 路径生成： 求解器通过生成一系列连接顶部和底部的线段作为初始猜测。不同的起始条件会显著影响最终结构形状。
- 点位更新： 路径上的点会根据以下规则进行更新，以优化路径：
- 保持在边界框内。
- 均匀分布。
- 拉向固定高度，以维持恒定斜率。
- 强制最小和最大转弯半径。
- 相互排斥，以及排斥自身轨道上的远端部分。
- 平滑斜率变化，避免突变。
- 防止斜率过度增加。
- 速度控制： 速度控制是关键挑战。由于轨道角度变化会改变旋转轴，并可能导致旋转惯量耗散，因此简单地将大理石视为质点是不现实的。作者通过设置最小转弯半径和过度倾斜来解决这个问题，以持续消耗速度。
- 升降机设计： 升降机巧妙地设计成类似于球螺纹，通过大理石的约束，使其无需顶部轴承即可运行。然而，这种设计也存在潜在的故障模式：如果螺纹仅在一侧受到大理石的约束，则会导致严重的摇晃，最终导致大理石从轨道上脱落。
支撑结构 (Supports)
- 粒子系统： 支撑结构生成采用自上而下的迭代方法，将支撑柱视为粒子系统，实现简单且稳健。
- 支撑规则： 每个支撑遵循以下规则：
- 拉向其他支撑，权重取决于距离和相似性。
- 相互排斥。
- 保持在边界框内。
- 拉向结构中心的固定半径。
- 惯性： 支撑结构具有惯性，导致支撑柱呈现弧形。
技术细节与未来展望：
- 模型导出： 完成的模型导出时间约为5-20分钟。
- OpenSCAD局限性： 当前模型过于复杂，无法完全在OpenSCAD中优化。
- 未来方向： 作者计划使用更适合有机几何的工具进行重写，例如SDF库。
- 改进方向： 未来改进包括：
- 实现更精确的速度估计，可能通过摄像头测量速度。
- 建立更完善的加速度模型。
- 探索表面滑动曲线，以确定最佳工作点。
项目回顾：
- 项目时间： 该项目从2024年2月开始，持续到2024年9月，是作者投入最多的一次业余项目。
- 展览： 作品被选入New Alliance Gallery展览，在展出前进行大量的调试和优化。
- 问题与限制： 运行过程中，喷泉每小时会丢失2-3个大理石，且电机容易过热，限制了运行时间。
- 致谢： 特别感谢朋友Alex的持续支持和帮助。