水生运动是生物学家和工程师感兴趣的经典流体结构相互作用（FSI）问题。求解完全耦合的FSI方程，用于不可压缩的Navier-Stokes和有限的弹性在计算上是昂贵的。在这种系统中，优化机器人游泳器设计通常涉及在已经昂贵的模拟之上繁琐的，无梯度的程序。为了应对这一挑战，我们提出了一种针对FSI的新颖，完全可区分的混合方法，该方法结合了2D直接数值模拟，用于游泳器的可变形固体结构和物理受限的神经网络替代物，以捕获流体的流体动力效应。对于游泳者身体的可变形实心模拟，我们使用来自计算机图形领域的最新技术来加快有限元方法（FEM）。对于流体模拟，我们使用经过基于物理损耗功能的U-NET体系结构来预测每个时间步骤的流场。使用沉浸式边界方法（IBM）在我们游泳器边界的边界周围采样了来自神经网络的压力和速度场输出，以准确有效地计算其游泳运动。我们证明了混合模拟器在2D Carangiform游泳器上的计算效率和可不同性。由于可怜性，该模拟器可用于通过基于直接梯度的优化浸入流体中的软体体系的控件设计。

Accurate simulation of soft mechanisms under dynamic actuation is critical for the design of soft robots. We address this gap with our differentiable simulation tool by learning the material parameters of our soft robotic fish. On the example of a soft robotic fish, we demonstrate an experimentally-verified, fast optimization pipeline for learning the material parameters from quasi-static data via differentiable simulation and apply it to the prediction of dynamic performance. Our method identifies physically plausible Young's moduli for various soft silicone elastomers and stiff acetal copolymers used in creation of our three different robotic fish tail designs. We show that our method is compatible with varying internal geometry of the actuators, such as the number of hollow cavities. Our framework allows high fidelity prediction of dynamic behavior for composite bi-morph bending structures in real hardware to millimeter-accuracy and within 3 percent error normalized to actuator length. We provide a differentiable and robust estimate of the thrust force using a neural network thrust predictor; this estimate allows for accurate modeling of our experimental setup measuring bollard pull. This work presents a prototypical hardware and simulation problem solved using our differentiable framework; the framework can be applied to higher dimensional parameter inference, learning control policies, and computational design due to its differentiable character.

Efficient simulation of the Navier-Stokes equations for fluid flow is a long standing problem in applied mathematics, for which state-of-the-art methods require large compute resources. In this work, we propose a data-driven approach that leverages the approximation power of deep-learning with the precision of standard solvers to obtain fast and highly realistic simulations. Our method solves the incompressible Euler equations using the standard operator splitting method, in which a large sparse linear system with many free parameters must be solved. We use a Convolutional Network with a highly tailored architecture, trained using a novel unsupervised learning framework to solve the linear system. We present real-time 2D and 3D simulations that outperform recently proposed data-driven methods; the obtained results are realistic and show good generalization properties.

布模拟在计算机动画，服装设计和机器人辅助敷料中具有广泛的应用。这项工作提出了一个可区分的布模拟器，其附加梯度信息促进了与布相关的应用。我们可区分的模拟器扩展了基于投影动力学（PD）和干摩擦接触的最先进的布模拟器。我们从以前的工作中汲取灵感，提出了一种快速新颖的方法，用于通过干摩擦接触在基于PD的布模拟中得出梯度。此外，我们对富含接触的布模拟中梯度的实用性进行了全面的分析和评估。最后，我们证明了模拟器在许多下游应用中的功效，包括系统识别，辅助调味料的轨迹优化，闭环控制，逆设计和实际降低SIM转移。我们观察到通过使用我们的梯度信息来求解大多数这些应用程序获得的大幅加速。

这本数字本书包含在物理模拟的背景下与深度学习相关的一切实际和全面的一切。尽可能多，所有主题都带有Jupyter笔记本的形式的动手代码示例，以便快速入门。除了标准的受监督学习的数据中，我们将看看物理丢失约束，更紧密耦合的学习算法，具有可微分的模拟，以及加强学习和不确定性建模。我们生活在令人兴奋的时期：这些方法具有从根本上改变计算机模拟可以实现的巨大潜力。

机器人社区在为软机器人设备建模提供的理论工具的复杂程度中看到了指数增长。已经提出了不同的解决方案以克服与软机器人建模相关的困难，通常利用其他科学学科，例如连续式机械和计算机图形。这些理论基础通常被认为是理所当然的，这导致复杂的文献，因此，从未得到完整审查的主题。Withing这种情况下，提交的文件的目标是双重的。突出显示涉及建模技术的不同系列的常见理论根源，采用统一语言，以简化其主要连接和差异的分析。因此，对上市接近自然如下，并最终提供在该领域的主要作品的完整，解开，审查。

物理信息的神经网络（PINN）是神经网络（NNS），它们作为神经网络本身的组成部分编码模型方程，例如部分微分方程（PDE）。如今，PINN是用于求解PDE，分数方程，积分分化方程和随机PDE的。这种新颖的方法已成为一个多任务学习框架，在该框架中，NN必须在减少PDE残差的同时拟合观察到的数据。本文对PINNS的文献进行了全面的综述：虽然该研究的主要目标是表征这些网络及其相关的优势和缺点。该综述还试图将出版物纳入更广泛的基于搭配的物理知识的神经网络，这些神经网络构成了香草·皮恩（Vanilla Pinn）以及许多其他变体，例如物理受限的神经网络（PCNN），各种HP-VPINN，变量HP-VPINN，VPINN，VPINN，变体。和保守的Pinn（CPINN）。该研究表明，大多数研究都集中在通过不同的激活功能，梯度优化技术，神经网络结构和损耗功能结构来定制PINN。尽管使用PINN的应用范围广泛，但通过证明其在某些情况下比有限元方法（FEM）等经典数值技术更可行的能力，但仍有可能的进步，最著名的是尚未解决的理论问题。

湍流无处不在，获得有效，准确且可概括的订单模型仍然是一个具有挑战性的问题。该手稿开发了减少拉格朗日模型的湍流模型的层次结构，以研究和比较在拉格朗日框架内实施平滑的粒子流体动力学（SPH）结构与嵌入神经网络（NN）作为通用函数近似器中的效果。 SPH是用于近似流体力学方程的无网格拉格朗日方法。从基于神经网络（NN）的拉格朗日加速运算符的参数化开始，该层次结构逐渐结合了一个弱化和参数化的SPH框架，该框架可以执行物理对称性和保护定律。开发了两个新的参数化平滑核，其中包含在完全参数化的SPH模拟器中，并与立方和四分之一的平滑核进行了比较。对于每个模型，我们使用基于梯度的优化最小化的不同损耗函数，其中使用自动分化（AD）和灵敏度分析（SA）获得了有效的梯度计算。每个模型均经过两个地面真理（GT）数据集训练，该数据集与每周可压缩的均质各向同性湍流（hit），（1）使用弱压缩SPH的验证集，（2）来自直接数值模拟（DNS）的高忠诚度集。数值证据表明：（a）对“合成” SPH数据的方法验证； （b）嵌入在SPH框架中近似状态方程的NN的能力； （b）每个模型都能插入DNS数据； （c）编码更多的SPH结构可提高对不同湍流的马赫数和时间尺度的普遍性； （d）引入两个新型参数化平滑核可提高SPH比标准平滑核的准确性。

隐式神经表示的最新进展在为偏微分方程产生数值解之时表现出很大的希望。与传统替代方案相比，这种表示采用参数化神经网络以以网眼的方式定义高度详细，连续和完全可差的信号。在这项工作中，我们提出了一种用于拓扑优化的新型机器学习方法 - 高维参数空间和高度非线性物镜景观的重要阶类逆问题。为了在无网状拓扑优化的背景下有效利用神经表示，我们使用多层的感知来参数化两个密度和位移场。我们的实验表明，我们的方法对于最大限度地减少结构依从性目标，我们的方法具有竞争力，并且它使得能够自我监督的拓扑优化问题的持续解决方案空间学习。

软执行器为轻柔的抓握和灵活的操纵等任务提供了一种安全，适应性的方法。但是，由于可变形材料的复杂物理学，创建准确的模型来控制此类系统是具有挑战性的。准确的有限元方法（FEM）模型具有用于闭环使用的过度计算复杂性。使用可区分的模拟器是一种有吸引力的替代方案，但是它们适用于软执行器，可变形材料仍然没有被忽略。本文提出了一个结合两者优势的框架。我们学习了一个由材料属性神经网络和其余操纵任务的分析动力学模型组成的可区分模型。该物理信息模型是使用FEM生成的数据训练的，可用于闭环控制和推理。我们在介电弹性体执行器（DEA）硬币提取任务上评估我们的框架。我们模拟使用DEA使用摩擦接触，使用FEM沿着表面拉动硬币的任务，并评估物理信息模型以进行模拟，控制和推理。与FEM相比，我们的模型达到了<5％的仿真误差，我们将其用作MPC控制器的基础，MPC控制器比无模型的参与者 - 批评者，PD和启发式策略所需的迭代率更少。

机器人和与世界相互作用或互动的机器人和智能系统越来越多地被用来自动化各种任务。这些系统完成这些任务的能力取决于构成机器人物理及其传感器物体的机械和电气部件，例如，感知算法感知环境，并计划和控制算法以生产和控制算法来生产和控制算法有意义的行动。因此，通常有必要在设计具体系统时考虑这些组件之间的相互作用。本文探讨了以端到端方式对机器人系统进行任务驱动的合作的工作，同时使用推理或控制算法直接优化了系统的物理组件以进行任务性能。我们首先考虑直接优化基于信标的本地化系统以达到本地化准确性的问题。设计这样的系统涉及将信标放置在整个环境中，并通过传感器读数推断位置。在我们的工作中，我们开发了一种深度学习方法，以直接优化信标的放置和位置推断以达到本地化精度。然后，我们将注意力转移到了由任务驱动的机器人及其控制器优化的相关问题上。在我们的工作中，我们首先提出基于多任务增强学习的数据有效算法。我们的方法通过利用能够在物理设计的空间上概括设计条件的控制器，有效地直接优化了物理设计和控制参数，以直接优化任务性能。然后，我们对此进行跟进，以允许对离散形态参数（例如四肢的数字和配置）进行优化。最后，我们通过探索优化的软机器人的制造和部署来得出结论。

Recent years have witnessed a growth in mathematics for deep learning--which seeks a deeper understanding of the concepts of deep learning with mathematics, and explores how to make it more robust--and deep learning for mathematics, where deep learning algorithms are used to solve problems in mathematics. The latter has popularised the field of scientific machine learning where deep learning is applied to problems in scientific computing. Specifically, more and more neural network architectures have been developed to solve specific classes of partial differential equations (PDEs). Such methods exploit properties that are inherent to PDEs and thus solve the PDEs better than classical feed-forward neural networks, recurrent neural networks, and convolutional neural networks. This has had a great impact in the area of mathematical modeling where parametric PDEs are widely used to model most natural and physical processes arising in science and engineering, In this work, we review such methods and extend them for parametric studies as well as for solving the related inverse problems. We equally proceed to show their relevance in some industrial applications.

地下模拟使用计算模型来预测流体（例如油，水，气体）通过多孔介质的流动。这些模拟在工业应用（例如石油生产）中至关重要，在这些应用中，需要快速，准确的模型来进行高级决策，例如，进行井安置优化和现场开发计划。经典的有限差数数值模拟器需要大量的计算资源来对大规模现实世界的水库进行建模。另外，通过依靠近似物理模型，流线模拟器和数据驱动的替代模型在计算上更有效，但是它们不足以在大规模上对复杂的储层动力学进行建模。在这里，我们介绍了混合图网络模拟器（HGNS），这是一个数据驱动的替代模型，用于学习3D地下流体流的储层模拟。为了模拟局部和全球尺度上的复杂储层动力学，HGN由地下图神经网络（SGNN）组成，以建模流体流的演化和3D-U-NET，以建模压力的演变。 HGNS能够扩展到每个时间步长数百万个单元的网格，比以前的替代模型高两个数量级，并且可以准确地预测流体流量数十亿个时间步长（未来几年）。使用带有110万个单元的行业标准地下流数据集（SPE-10），我们证明HGNS能够将推理时间降低到与标准地下模拟器相比，最高18次，并且通过降低基于学习的模型，它可以优于其他基于学习的模型长期预测错误高达21％。

近二十年来，软机器人技术一直是机器人社区中的一个热门话题。但是，对于软机器人进行建模和分析的可用工具仍然有限。本文介绍了一个用户友好的MATLAB工具箱Soft Robot Simulator（Sorosim），该工具集合了Cosserat杆的几何变量应变（GVS）模型，以促进对软，刚性或混合机器人系统的静态和动力分析。我们简要概述了工具箱的设计和结构，并通过将其结果与文献中发布的结果进行比较。为了突出该工具箱有效建模，模拟，优化和控制各种机器人系统的潜力，我们演示了四个示例应用程序。所示的应用探索了单，分支，开放式和闭合链机器人系统的不同执行器和外部加载条件。我们认为，软机器人研究社区将从Sorosim工具箱中大大受益，用于多种应用。

软机器人技术有可能改变机器人运动，特别是软机器人游泳者提供了一种微创和自适应的解决方案，以探索和保存我们的海洋。不幸的是，当前的软机器人游泳者非常劣于进化的生物游泳者，尤其是在可控性，效率，可操作性和寿命方面。此外，设计软机器人所需的乏味的迭代制造和经验测试阻碍了它们的优化。在这项工作中，我们通过为设计和制造配备静电驱动的软机器人游泳者提供高效且直接的管道来应对这一挑战。我们简化了允许快速增材制造的过程，并显示如何使用可区分的模拟将简化模型与机器人游泳器的真实变形匹配。我们通过改变游泳者的拮抗肌肉的电压和驱动频率来对制造的游泳者进行多个实验。我们展示了在液态油中移动时的电压和频率如何改变游泳者的运动速度，并在前进的游泳速度下观察到明显的最佳选择。我们提出的可区分模拟模型具有各种下游应用，例如游泳者的控制和形状优化；通过我们的SIM到现实匹配，可以将优化结果直接映射回真实机器人。

在本文中，我们根据卷积神经网络训练湍流模型。这些学到的湍流模型改善了在模拟时为不可压缩的Navier-Stokes方程的溶解不足的低分辨率解。我们的研究涉及开发可区分的数值求解器，该求解器通过多个求解器步骤支持优化梯度的传播。这些属性的重要性是通过那些模型的出色稳定性和准确性来证明的，这些模型在训练过程中展开了更多求解器步骤。此外，我们基于湍流物理学引入损失项，以进一步提高模型的准确性。这种方法应用于三个二维的湍流场景，一种均匀的腐烂湍流案例，一个暂时进化的混合层和空间不断发展的混合层。与无模型模拟相比，我们的模型在长期A-posterii统计数据方面取得了重大改进，而无需将这些统计数据直接包含在学习目标中。在推论时，我们提出的方法还获得了相似准确的纯粹数值方法的实质性改进。

虽然在各种应用中广泛使用刚性机器人，但它们在他们可以执行的任务中受到限制，并且在密切的人机交互中可以保持不安全。另一方面，软机器鞋面超越了刚性机器人的能力，例如与工作环境，自由度，自由度，制造成本和与环境安全互动的兼容性。本文研究了纤维增强弹性机壳（释放）作为一种特定类型的软气动致动器的行为，可用于软装饰器。创建动态集参数模型以在各种操作条件下模拟单一免费的运动，并通知控制器的设计。所提出的PID控制器使用旋转角度来控制多项式函数之后的自由到限定的步进输入或轨迹的响应来控制末端执行器的方向。另外，采用有限元分析方法，包括释放的固有非线性材料特性，精确地评估释放的各种参数和配置。该工具还用于确定模块中多个释放的工作空间，这基本上是软机械臂的构建块。

Surrogate models are necessary to optimize meaningful quantities in physical dynamics as their recursive numerical resolutions are often prohibitively expensive. It is mainly the case for fluid dynamics and the resolution of Navier-Stokes equations. However, despite the fast-growing field of data-driven models for physical systems, reference datasets representing real-world phenomena are lacking. In this work, we develop AirfRANS, a dataset for studying the two-dimensional incompressible steady-state Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations over airfoils at a subsonic regime and for different angles of attacks. We also introduce metrics on the stress forces at the surface of geometries and visualization of boundary layers to assess the capabilities of models to accurately predict the meaningful information of the problem. Finally, we propose deep learning baselines on four machine learning tasks to study AirfRANS under different constraints for generalization considerations: big and scarce data regime, Reynolds number, and angle of attack extrapolation.

在本文中，我们为非稳定于3D流体结构交互系统提供了一种基于深度学习的阶数（DL-ROM）。所提出的DL-ROM具有非线性状态空间模型的格式，并采用具有长短期存储器（LSTM）的经常性神经网络。我们考虑一种以状态空间格式的可弹性安装的球体的规范流体结构系统，其具有不可压缩的流体流动。我们开发了一种非线性数据驱动的耦合，用于预测横向方向自由振动球的非定常力和涡旋诱导的振动（VIV）锁定。我们设计输入输出关系作为用于流体结构系统的低维逼近的力和位移数据集的时间序列。基于VIV锁定过程的先验知识，输入功能包含一系列频率和幅度，其能够实现高效的DL-ROM，而无需用于低维建模的大量训练数据集。一旦训练，网络就提供了输入 - 输出动态的非线性映射，其可以通过反馈过程预测较长地平线的耦合流体结构动态。通过将LSTM网络与Eigensystem实现算法（时代）集成，我们构造了用于减少阶稳定性分析的数据驱动状态空间模型。我们通过特征值选择过程调查VIV的潜在机制和稳定性特征。为了了解频率锁定机制，我们研究了针对降低振荡频率和质量比的范围的特征值轨迹。与全阶模拟一致，通过组合的LSTM-ERA程序精确捕获频率锁定分支。所提出的DL-ROM与涉及流体结构相互作用的物理学数字双胞胎的基于物理的数字双胞胎。

Machine learning-based modeling of physical systems has experienced increased interest in recent years. Despite some impressive progress, there is still a lack of benchmarks for Scientific ML that are easy to use but still challenging and representative of a wide range of problems. We introduce PDEBench, a benchmark suite of time-dependent simulation tasks based on Partial Differential Equations (PDEs). PDEBench comprises both code and data to benchmark the performance of novel machine learning models against both classical numerical simulations and machine learning baselines. Our proposed set of benchmark problems contribute the following unique features: (1) A much wider range of PDEs compared to existing benchmarks, ranging from relatively common examples to more realistic and difficult problems; (2) much larger ready-to-use datasets compared to prior work, comprising multiple simulation runs across a larger number of initial and boundary conditions and PDE parameters; (3) more extensible source codes with user-friendly APIs for data generation and baseline results with popular machine learning models (FNO, U-Net, PINN, Gradient-Based Inverse Method). PDEBench allows researchers to extend the benchmark freely for their own purposes using a standardized API and to compare the performance of new models to existing baseline methods. We also propose new evaluation metrics with the aim to provide a more holistic understanding of learning methods in the context of Scientific ML. With those metrics we identify tasks which are challenging for recent ML methods and propose these tasks as future challenges for the community. The code is available at https://github.com/pdebench/PDEBench.