Дослідники представили новий матеріал, який такий же міцний, як сталь, але повітряний, як піна. Вони використали потужність штучного інтелекту (AI) і високоточного 3D-принтера, щоб точно налаштувати його форму, прагнучи до максимальної міцності без додавання ваги матеріалу. За словами інженерів, їхній винахід може мати серйозні наслідки для виробництва виробів, які вимагають як міцності, так і легкості, особливо транспортних засобів, спрямованих на підвищення ефективності палива.
Професор Тобін Філлетер з Університету Торонто допоміг очолити цю роботу, привнісши багаторічний досвід у механічній поведінці матеріалів. Він і його команда працювали разом із колегами, які досліджували способи побудови мікромасштабних структур із точно організованими функціями.
Пошук потрібної форми
Дослідники почали з тестування можливих форм за допомогою комп’ютерного моделювання та намагалися рівномірно розподілити прикладені напруги. Це означало зменшення слабких місць, які часто викликають раптові руйнування звичайних легких конструкцій.
«Це не просто відтворювало успішні геометрії з навчальних даних; він дізнався, які зміни форм спрацювали, а які ні, що дозволило йому передбачити абсолютно нові геометрії решітки», – сказав Пітер Серлес, інженер-дослідник Каліфорнійського технологічного інституту.
На етапі планування використовувався алгоритм машинного навчання, який дізнавався, як кожна форма витримує тиск. Але це не просто переосмислення старих ідей.
Використання ШІ для кращого дизайну матеріалів
Традиційні матеріали часто вимагають компромісу між міцністю та міцністю. Багато речовин, схожих на кераміку, можуть витримувати великі навантаження, але легко розбиваються. Команда хотіла чогось, що збалансувало б обидва. Вони покладалися на наноархітектурні конструкції, щоб досягти цієї переваги. Використовуючи ретельно спроектовані візерунки в мікроскопічному масштабі, ці структури можуть досягти більшої навантажувальної здатності, ніж сипучі матеріали тієї ж щільності.
Скористайтеся перевагами 3D-друку
Після того, як алгоритм запропонував найкращі форми, дослідники використали спеціалізований 3D-принтер, який працює з полімерами в неймовірно тонкому масштабі. Потім вони обпалили ці друковані решітки, щоб залишити вуглець. Результатом є нанорешітка, яка витримує високі навантаження, не розсипаючись. Удосконалені машини дозволяють друкувати делікатні деталі в частки дюйма, що відкриває двері для більш складних геометрій. Це означає, що вчені тепер можуть створювати форми, які вони колись лише уявляли під час моделювання.
Матеріал ШІ для аерокосмічної ефективності
«Ми сподіваємося, що ці нові конструкції матеріалів зрештою призведуть до надлегких компонентів для аерокосмічних застосувань, таких як літаки, гелікоптери та космічні кораблі, які можуть зменшити потребу в паливі під час польоту, зберігаючи безпеку та продуктивність», — сказав Філлетер. Якщо кораблю потрібно менше палива, викиди зменшуються разом із експлуатаційними витратами. Один дослідник пояснив, що заміна титанових деталей на цю легшу альтернативу може дати річну економію пального приблизно на 21 галон на кожні 2,2 фунта (80 літрів на кожні 10 кілограмів) заміненого матеріалу. Це складається з кількох рейсів і повторних подорожей по всьому світу.
Розширення за межі аерокосмічної галузі
Хоча найбільш очевидні застосування в авіації та космічних подорожах, інші галузі також можуть отримати вигоду від цих надлегких, надміцних матеріалів. Автомобільний сектор, наприклад, постійно шукає способи покращити паливну ефективність і запас ходу акумулятора в електромобілях. Полегшене шасі та структурні компоненти можуть значно вплинути на продуктивність. Ще одним перспективним напрямком є медичні технології. Дослідники досліджують, як ці наноархітектурні матеріали можуть створити більш міцні, але легкі протези, імплантати та медичні пристрої. Зменшення ваги матеріалу при збереженні міцності може зробити переносне медичне спорядження більш зручним і ефективним.
Розширення та рух вперед
Наступне завдання — виготовити більші шматки, не втрачаючи переваг, отриманих у лабораторії. Виявлення того, як виробляти більші обсяги цієї конструкції на основі вуглецю за розумною ціною, стоїть на порядку денному. Інженери також планують поекспериментувати з варіаціями, які зберігають жорсткість, одночасно зменшуючи вагу. Кожен новий дизайн — це ще одна можливість для алгоритму вдосконалити свої навички прогнозування, потенційно ще більше підвищуючи межі міцності.
Матеріал, розроблений ШІ, і майбутнє
Ці нові ідеї є частиною постійних зусиль щодо перегляду ефективності матеріалів. Зменшення ваги є ключовою метою для багатьох галузей промисловості, від автомобілебудування до будівництва вітрових турбін, і ця робота пропонує потужний інструмент для задоволення цих потреб. Впровадження штучного інтелекту у світ матеріалів показує, що старі межі іноді можна відсунути. Після збільшення ці структури наступного покоління можуть з’являтися в неочікуваних місцях, забезпечуючи безпеку без звичайного покарання за вагою. Дослідження було опубліковано в онлайн-журналі Advanced Materials.