采用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)設(shè)計的MEMS陀螺具有體積小、功耗低、成本低、易于與集成電路集成等優(yōu)點，對微納衛(wèi)星、無人機(jī)群等先進(jìn)裝備的大批量部署具有重要意義。MEMS陀螺儀正在取代造價昂貴的傳統(tǒng)陀螺儀，目前，中低性能的陀螺儀已幾乎完全被MEMS陀螺儀取代，正在向高性能領(lǐng)域發(fā)展。MEMS碟形諧振陀螺（DRG）憑借其抗震性、低溫漂、高靈敏度等顯著優(yōu)勢，是高性能諧振式微機(jī)械陀螺的重要類型。但傳統(tǒng)設(shè)計方法存在拓?fù)渑c性能關(guān)系預(yù)測困難、仿真評估速度緩慢、優(yōu)化嚴(yán)重依賴專家經(jīng)驗、迭代次數(shù)多等問題，使得MEMS DRG的發(fā)展緩慢。

針對這一問題，西安交通大學(xué)微電子學(xué)院王紅義教授團(tuán)隊及其合作者采用了人工智能策略探索高性能新穎結(jié)構(gòu)拓?fù)?。團(tuán)隊首先在充分考慮工藝約束的前提下，提出了一種新的陀螺儀非參數(shù)表征方法，將陀螺的拓?fù)湓O(shè)計任務(wù)轉(zhuǎn)化為路徑規(guī)劃問題；然后，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建代理模型，利用傳統(tǒng)有限元分析得到的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，實現(xiàn)拓?fù)湫阅艿目焖僭u估；最后，采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法在整個設(shè)計空間內(nèi)進(jìn)行探索，輸出性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)拓?fù)?。?jīng)過8000次探索后，得到了7120種新穎的達(dá)到導(dǎo)航級精度的結(jié)構(gòu)拓?fù)?，其中?3.7%拓?fù)涞男阅軆?yōu)于傳統(tǒng)多環(huán)拓?fù)洌糠滞負(fù)湫阅芟噍^傳統(tǒng)拓?fù)渖踔翆崿F(xiàn)了數(shù)量級提升。借助于高效的代理模型，相較于昂貴的有限元仿真，其加速比達(dá)到了約40萬倍，將數(shù)月的設(shè)計周期縮短到了7分鐘左右。

圖(a)MEMS DRG從設(shè)計空間映射到完整的DRG拓?fù)涞牟襟E；

圖(b)算法探索到的典型拓?fù)洌?/span>

圖(c)創(chuàng)新性拓?fù)湓O(shè)計范式，其中FBi為彈性梁結(jié)構(gòu)、DWi為雙翼式結(jié)構(gòu)、SSi為步進(jìn)階梯式結(jié)構(gòu)；

圖(d)彈性梁FB1與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力改善分析；

圖(e)雙翼結(jié)構(gòu)DW1和階梯式結(jié)構(gòu)SS1與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的形變分析

該研究成果近日發(fā)表于《自然》（Nature）子刊《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）。論文第一單位為西安交通大學(xué)微電子學(xué)院，第一作者為該院博士生陳晨，通訊作者為王紅義教授。該研究由北京微電子技術(shù)研究所、西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院、荷蘭萊頓大學(xué)萊頓高級計算機(jī)科學(xué)研究所等單位合作完成，并獲得北京微電子技術(shù)研究所、國家自然科學(xué)基金資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41378-024-00792-4