我们当中谁还没有伸出手来弹出一个在空气中飘荡的气泡?只需轻轻一触，气泡就会在大约一毫秒内破碎成一阵小水滴。捕捉这种一闪而过的现象的细节需要复杂的高速视频。

计算机科学助理教授、计算机图形学研究的核心领域物理动画专家朱博说，更难的是通过计算机动画重新创建它，同时忠实于流行的物理学。

引用

我一直对流体的美丽和复杂性着迷。

流体动画是朱的特殊专长领域。他构建的计算工具可以再现流体——液体、气泡、泡沫、火和烟雾——以及它们如何在各种物理环境中转换和流动。

他的工作最近获得了国家科学基金会的两项奖项——500,000 美元的教师早期职业发展奖和 400,000 美元的计算机和信息科学与工程资助，以支持他的研究。这两个项目都应用流体模拟技术来模拟和理解不同领域的流体——人类健康和数字制造。

“我一直对流体的美丽和复杂性着迷，”朱说。他特别受到麻省理工学院应用数学教授约翰·布什拍摄的照片的启发。布什的气泡和水黾图片是表面张力和其他流体现象的惊人组合，朱希望虚拟重现。

计算机处理复杂的数值方程来模拟屏幕上的流体。为流体动画提供动力的算法已经取得了长足的进步，但像朱这样的计算机科学家找到了改进它们的创新方法，从而可以使用更少的计算能力更快地模拟流体，并提高准确性和视觉吸引力。

朱和研究生 Guarini '24 与来自德克萨斯 A&M 大学和北京电影学院的合作者合作， 提出了一种新的方法 来模拟固体和液体界面的物理。这就是表面张力设定规则的地方，如果它们的形状正确，稠密的物体就会漂浮起来。

与以前只考虑固体和液体之间的物理相互作用的方法不同，研究人员将系统视为固体、液体和薄液膜之间的三向相互作用，它充当了表面张力。

结果是一些最逼真的演绎，缓慢下沉的图钉、漂浮的枫叶、漂浮在水面上但淹没在牛奶中的樱桃，以及在水面上行走的机器人步行者。

朱的研究小组还设计了一种新的计算方法来模拟气泡的形成和移动方式，该方法在 计算机机械协会的计算机图形学年度会议SIGGRAPH 2021上进行了介绍。他们在这项技术上的最新成果将 在今年 7 月的会议上公布。

与以前将气泡的薄表面描述为连接三角形的网格的方法不同，他们的技术将流体视为粒子的集合。“然后我们可以为每个局部点应用和求解相关的物理方程，”朱说。他说，这使得算法能够更巧妙地处理形状变化，并对合并、分裂或破裂的气泡进行建模。

基于这种粒子表示，Guarini '25 的 Mengdi Wang 和 Guarini '23 的 Yitong Deng 是两篇 SIGGRAPH 论文的主要作者，他们开发了新的模拟算法来模拟气泡上生动的流动物理。Aditya Prasad '21 通过使用视觉效果软件将薄肥皂膜的光学应用到模拟中，为变形气泡添加了逼真的颜色。这项工作为普拉萨德赢得了 达特茅斯制造奖。

“除了为科学插图创建视觉上有趣的动画外，这些建模工具与公共卫生研究，尤其是疾病传播有很大的相关性，”朱说。细菌通过以流体形式悬浮而存活，这些流体形式可以只是液体、薄片、细丝、气泡、泡沫、液滴或气溶胶。所有这些都表现出复杂的形状和动态。

通过扩展他的气泡建模技术，朱正致力于设计可以模拟与人类健康和卫生过程相关的流体现象的计算工具，例如打喷嚏的粘液、飞溅的羽毛和洗手泡沫，这些在过去是遥不可及的。由于这些复杂性，视觉和科学计算。更重要的是，动画可以在普通的笔记本电脑或台式机上运行;研究人员不必投资超级计算机即可使用它们。

对与卫生相关的行为进行建模可以帮助科学家对许多小规模流体现象产生新的认识——肥皂泡如何破裂、肥皂泡沫如何在洗手时形成，以及打喷嚏时如何产生液滴或气溶胶。

“我们对洗手的好处或咳嗽和打喷嚏如何携带细菌的了解是基于使用高速摄像机从实验或观察中收集的数据，”朱说。开发对这些过程进行建模的计算方法将为研究影响它们的因素打开大门，方法是虚拟地使用诸如气流和掩蔽之类的物理参数。朱说，可以进行更繁琐的物理实验来验证假设，从而加快发现的速度。

朱还利用计算机来设计和优化喷气发动机、液压泵或医疗设备等设备，这些设备使用运动中的流体来执行特殊功能。人类工程师传统上依靠经验并建立设计实践来制作它们。

开发可以学习这些交易技巧的计算工具可以推动能源效率的创新，增强软机器人平台的功能，并能够创造下一代假肢。“设计过程的很大一部分是反复调整参数，通常基于反复试验，”朱说。通过自动化这个过程，工程师可以通过点击一个按钮来解决这些设计问题。