Легкий, как пена, но прочный, как сталь: ИИ создал невероятный новый материал

Детали изобретения

Новые наноматериалы, изготовленные с помощью машинного обучения и 3D-принтера, более чем вдвое увеличили прочность существующих конструкций. Ученые, которые стоят за этим исследованием, опубликовали его 23 января в журнале Advanced Materials, сообщает 24 Канал.

Смотрите также Ученые объявили об открытии "белого графена", который может принести революцию в наши технологии

Мы надеемся, что эти новые конструкции материалов со временем приведут к созданию сверхлегких компонентов в аэрокосмической отрасли, таких как самолеты, вертолеты и космические аппараты, которые могут уменьшить потребность в топливе во время полета, сохраняя при этом безопасность и производительность,
– говорит соавтор исследования Тобин Филлер, профессор инженерии в Университете Торонто.

В итоге, как надеется Филлер, это может помочь уменьшить высокий углеродный след полетов.

Во многих материалах прочность и вязкость часто противоречат друг другу. Возьмем, например, керамическую тарелку: хотя тарелки обычно прочные и могут выдерживать большие нагрузки, их прочность достигается за счет вязкости — не нужно много энергии, чтобы заставить их разбиться.

Та же проблема касается и наноархитектурных материалов, чья конструкция из множества крошечных повторяющихся строительных блоков толщиной в 1/100 человеческого волоса делает их прочными и жесткими для своего веса, но также может вызвать концентрацию напряжений, которые приводят к внезапным поломкам. До сих пор эта склонность к разрушению ограничивала применение материалов.

Когда я думал об этом вызове, я понял, что это идеальная проблема для машинного обучения,
– комментирует первый автор исследования Питер Серлес, инженерный исследователь из Калифорнийского технологического института.

Чтобы найти лучшие способы проектирования наноматериалов, исследователи смоделировали возможные геометрии их дизайна, прежде чем пропустить их через алгоритм машинного обучения. Обучаясь на созданных образцах, алгоритм смог предсказать лучшие формы, которые бы равномерно распределяли приложенные напряжения и одновременно выдерживали большую нагрузку.

Получив эти формы в виде схем, исследователи использовали 3D-принтер для создания новых нанорешеток. Оказалось, что они могут выдерживать нагрузку в 2,03 мегапаскаля на каждый кубический метр на килограмм – прочность в пять раз выше, чем у титана.

Это первый случай, когда машинное обучение было применено для оптимизации наноархитектурных материалов, и мы были шокированы результатами. Он не просто воссоздал удачные геометрии из учебных данных. Он узнал, какие изменения в формах работают, а какие нет, что позволило ему предсказать совершенно новые геометрии кристаллической решетки,
– добавил Питер Серлес.

Исследователи говорят, что их следующие шаги будут сосредоточены на масштабировании материалов до тех пор, пока их нельзя будет использовать для изготовления больших компонентов, а также на поиске еще более совершенных конструкций с использованием их процесса.

Основной целью является разработка гораздо более легких и прочных компонентов для транспортных средств в будущем. Например, если вы замените компоненты из титана в самолете на этот материал, вы сможете сэкономить 80 литров топлива в год на каждый килограмм замененного материала, говорят исследователи.