采用微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)設計的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、無人機群等先進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械陀螺的重要類型。但傳統(tǒng)設計方法存在拓撲與性能關(guān)系預測困難、仿真評估速度緩慢、優(yōu)化嚴重依賴專家經(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，西安交通大學微電子學院王紅義教授團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)拓撲。團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，將陀螺的拓撲設計任務轉(zhuǎn)化為路徑規(guī)劃問題；然后，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡構(gòu)建代理模型，利用傳統(tǒng)有限元分析得到的樣本進行訓練，實現(xiàn)拓撲性能的快速評估；最后，采用深度強化學習算法在整個設計空間內(nèi)進行探索，輸出性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)拓撲。經(jīng)過8000次探索后，得到了7120種新穎的達到導航級精度的結(jié)構(gòu)拓撲，其中有93.7%拓撲的性能優(yōu)于傳統(tǒng)多環(huán)拓撲，部分拓撲性能相較傳統(tǒng)拓撲甚至實現(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，其加速比達到了約40萬倍，將數(shù)月的設計周期縮短到了7分鐘左右。

圖(a)MEMS DRG從設計空間映射到完整的DRG拓撲的步驟；

圖(b)算法探索到的典型拓撲；

圖(c)創(chuàng)新性拓撲設計范式，其中FBi為彈性梁結(jié)構(gòu)、DWi為雙翼式結(jié)構(gòu)、SSi為步進階梯式結(jié)構(gòu)；

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

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微電子學院，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)大學機電學院、荷蘭萊頓大學萊頓高級計算機科學研究所等單位合作完成，并獲得北京微電子技術(shù)研究所、國家自然科學基金資助。

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