解开如何电缆线圈

从电影的模拟技术用于在实验室预测卷取模式。



世界上的光纤网络跨越多于550000英里发送电子邮件,网站,和大陆之间的数据的其它分组,所有在光速海底电缆。在这个网络中的任何部分裂口或纠结可以在世界各地显著缓慢电信。

现在在bt365手机的工程师,计算机科学家在哥伦比亚大学沿,已经开发出预测线圈的图案和缠结,当部署到刚性表面的电缆可以形成的方法。研究联合实验室的实验与定制设计的线缆,用于动画电影的头发计算机图形技术和理论分析。

在实验室,bt365手机的工程师成立了一个桌面系统到后台意大利面条般的电缆传送带上。它们调节的参数,例如部署的速度和带的速度,并且所观察到的电缆如何卷绕,因为它击中的表面。

在哥伦比亚,计算机科学家适于用于模拟动画头发和,掺入的MIT试验的参数的一个源代码,发现该仿真准确地预测在实验室看到卷取图案。

研究人员说,线圈预测方法可以帮助设计光纤电缆更好的部署策略,以避免扭曲和缠绕,可导致传输故障和数据丢失。 

“我们现在有一组设计准则,允许您调整某些参数以实现特定的模式,”佩德罗李嘉欣,机械工程和土木与环境工程bt365手机的副教授说。 “我们有适用于许多系统的描述。”

雷斯和他的同事在本周公布其结果在 科学的美国国家科学院院刊。 他的合着者哈立德下巴bt365手机和方达,jungseock珠,和哥伦比亚大学的埃坦grinspun的。

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光纤电缆通常从帆船,其随即渡过电缆的长度从大卷筒展开。根据船的航行速度怎样涉及卷轴的速度,电缆可在海底直线沉积或在曲折,卷取图案。

照片由约翰·freidah

“如果船正在航行比电缆的速度比较慢,那么你把更多的线下,产生循环,线圈和缠结,”李嘉欣说。 “这会导致信号衰减。但如果船行驶得更快,然后将电缆可以得到绷紧和断裂,这实在是个坏消息。所以我们想了解什么是基本的模式。”

要做到这一点,李嘉欣成立了电缆部署系统的小型版本,在他的实验室。他和他的学生从制造有机硅系橡胶细丝,和操纵线轴自动卷筒出来的导线到传送带上。它们改变了设定的各种参数,包括在带和卷轴的速度。

小组使用的数字视频相机记录长丝运动,因为它们击中带,观察到三种主要模式:蜿蜒波,交替循环,反复线圈。

 
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看,如果这些模式可以在模拟中被预测,雷斯联手grinspun,在离散微分几何的专家。 grinspun已申请复杂的数学方法来模拟薄丝如头发和衣服的运动 - 非常困难的特点,切实动画 - 为电影,包括“霍比特人”和迪斯尼的“纠结.

“眼睛是非常善于拿起什么是物理的,什么不是,” grinspun说。 “我们想捕捉的头发和衣服以现实的方式运动,所以很多的算法,我们的发展,我们需要思考的几何形状。”

grinspun以前升级他来模拟头发像蜂蜜粘性流体的流动模型代码。如蜂蜜从浇罐子,它可以像绳索或线程,细雨到在波状图案的表面。李嘉欣想,如果相同的代码可以通过模拟电缆的卷绕。    

“我们意识到,我使用的几何形状来放大和缩小的问题,他用几何加快自己的代码,所以我们认为我们应该端口了他的一些算法到工程和测试,如果这些图案可以预见,”雷斯说。

在第一,协作努力产生混合的结果:在实验可见图案不能在模拟中被复制。研究人员最终确定了一个关键的功能,他们最初未被分解成模拟:长丝,其中,缠绕在卷轴的时候,因为它是解开保留一定量曲线的自然弧度。动机实验和仿真之间的这种不匹配初始雷斯设计一个实验方案制造具有定制的自然弯曲的杆。

与现在的模拟合并,并在实验室控制的自然弧度,研究人员发现,他们能够在模拟实验中观察到的确切模式。他们然后调谐的在模拟中各个部件的尺寸,发现它们能够预测的形状和形成的曲线的振幅,基于几个主要因素:所述线的展开速度,传送带的速度,刚度和长丝的直径,并且其阀芯(其确定金属丝的自然曲率的量度)的大小。

他们还惊奇地发现,从该灯丝部署不影响其卷取模式的高度 - 好消息为导航波涛汹涌的水域部署光纤电缆的船只。  

“这是重要的,因为,作为船舶航行,相对于表面海底的高度随时都在变化,” grinspun说。 “我们也知道你有多大使船上的卷轴很重要。所以我们现在有地图电缆如何线圈的,以及哪些变量是重要的,如果你想达到一定的模式的理解“。

展望未来,李嘉欣说,他和grinspun可以在其他项目上进行合作,了解和模拟薄丝的功能,如流体阻力和摩擦运动。例如,从工程的角度看这样的关系的理解可以改善的现象,如头发在风吹动画。

“我认为我们现在拥有的是这两个领域之间的桥梁,我们可以开始有来回的交通,”李嘉欣说。

这项研究由美国国家科学基金会一部分资金。