Новий інструмент ШІ виявляє реалістичні «метаматеріали» з незвичайними властивостями

Покриття, яке може приховати об’єкти на видноті, або імплантат, який поводиться точно так само, як кісткова тканина — ці надзвичайні об’єкти вже зроблені з «метаматеріалів». Дослідники з TU Delft тепер розробили інструмент штучного інтелекту, який не тільки може виявляти такі надзвичайні матеріали, але й робить їх готовими до виготовлення та міцними. Це дозволяє створювати пристрої з безпрецедентною функціональністю. Вони опублікували свої висновки в Advanced Materials.

Властивості звичайних матеріалів, такі як жорсткість і гнучкість, визначаються молекулярним складом матеріалу, але властивості метаматеріалів визначаються геометрією структури, з якої вони побудовані. Дослідники проектують ці структури в цифровому вигляді, а потім друкують на 3D. Отримані метаматеріали можуть проявляти неприродні та екстремальні властивості. Дослідники, наприклад, створили метаматеріали, які, незважаючи на твердість, поводяться як рідина.

«Традиційно дизайнери використовують доступні їм матеріали для розробки нового пристрою чи машини. Проблема полягає в тому, що діапазон доступних властивостей матеріалів обмежений. Деякі властивості, які ми хотіли б мати, просто не існують у природі. Наш підхід такий: скажіть нам, які властивості ви хочете мати, і ми розробимо відповідний матеріал із цими властивостями. Тоді ви отримаєте не матеріал, а щось середнє між структурою та матеріалом, метаматеріал», — каже професор. Амір Задпур з кафедри біомеханічної інженерії.

Новий інструмент ШІ виявляє реалістичні «метаматеріали» з незвичайними властивостями. Авторство: TU Delft

Інверсний дизайн

Такий процес відкриття матеріалу вимагає розв’язання так званої «зворотної проблеми»: проблеми пошуку геометрії, яка породжує бажані властивості. Обернені задачі, як відомо, важко розв’язати, і саме тут на сцену з’являється штучний інтелект. Дослідники TU Delft розробили моделі глибокого навчання, які вирішують ці зворотні проблеми.

«Навіть коли зворотні проблеми вирішувалися в минулому, вони були обмежені припущенням про те, що дрібномасштабна геометрія може бути створена з нескінченної кількості будівельних блоків. Проблема з цим припущенням полягає в тому, що метаматеріали зазвичай виготовляються за допомогою 3D-друку., а справжні 3D-принтери мають обмежену роздільну здатність, що обмежує кількість будівельних блоків, які вміщуються в даний пристрій», — каже перший автор доктор Хельда Пахлавані.

Моделі штучного інтелекту, розроблені дослідниками TU Delft, відкривають нові шляхи, обходячи будь-які подібні спрощені припущення. «Тож тепер ми можемо просто запитати: скільки будівельних блоків дозволяє ваша виробнича технологія розмістити у вашому пристрої? Потім модель знаходить геометрію, яка дає вам бажані властивості для кількості будівельних блоків, які ви можете виготовити».

Розкриття повного потенціалу

Головною практичною проблемою, якою ігнорували попередні дослідження, була довговічність метаматеріалів. Більшість існуючих конструкцій ламаються, коли їх використовують кілька разів. Це тому, що існуючі підходи до проєктування метаматеріалів не враховують довговічність.

«Поки мова йшла лише про те, яких властивостей можна досягти. Наше дослідження враховує довговічність і вибирає найміцніші конструкції з великої кількості кандидатів на дизайн. Це робить наші конструкції дійсно практичними, а не лише теоретичними пригодами», — каже Задпур.

Можливості метаматеріалів здаються нескінченними, але повний потенціал ще далекий від реалізації, каже доцент Мохаммад Дж. Мірзаалі, автор-кореспондент публікації. Це пояснюється тим, що пошук оптимального дизайну метаматеріалу в цей час все ще значною мірою базується на інтуїції, передбачає спроби та помилки, а отже, є трудомістким. Використання зворотного процесу проєктування, де бажані властивості є відправною точкою дизайну, все ще дуже рідкісне явище в галузі метаматеріалів.

«Але ми вважаємо, що крок, який ми зробили, є революційним у галузі метаматеріалів. Він може призвести до різноманітних нових застосувань». Можливе застосування в ортопедичних імплантатах, хірургічних інструментах, м’яких роботах, адаптивних дзеркалах і екзокостюмах.