Легкий, як піна, але міцний, як сталь: ШІ створив неймовірний новий матеріал

Деталі винаходу

Нові наноматеріали, виготовлені за допомогою машинного навчання та 3D-принтера, більш ніж удвічі збільшили міцність існуючих конструкцій. Вчені, які стоять за цим дослідженням, опублікували його 23 січня в журналі Advanced Materials, повідомляє 24 Канал.

Ми сподіваємося, що ці нові конструкції матеріалів з часом призведуть до створення надлегких компонентів в аерокосмічній галузі, таких як літаки, гелікоптери та космічні апарати, які можуть зменшити потребу в паливі під час польоту, зберігаючи при цьому безпеку та продуктивність,
– каже співавтор дослідження Тобін Філлер, професор інженерії в Університеті Торонто.

У підсумку, як сподівається Філлер, це може допомогти зменшити високий вуглецевий слід польотів.

У багатьох матеріалах міцність і в'язкість часто суперечать одне одному. Візьмемо, наприклад, керамічну тарілку: хоча тарілки зазвичай міцні і можуть витримувати великі навантаження, їхня міцність досягається за рахунок в'язкості — не потрібно багато енергії, щоб змусити їх розбитися.

Та ж проблема стосується і наноархітектурних матеріалів, чия конструкція з безлічі крихітних повторюваних будівельних блоків товщиною в 1/100 людської волосини робить їх міцними і жорсткими для своєї ваги, але також може викликати концентрацію напружень, які призводять до раптових поломок. Досі ця схильність до руйнування обмежувала застосування матеріалів.

Коли я думав про цей виклик, я зрозумів, що це ідеальна проблема для машинного навчання,
– коментує перший автор дослідження Пітер Серлес, інженерний дослідник з Каліфорнійського технологічного інституту.

Щоб знайти кращі способи проєктування наноматеріалів, дослідники змоделювали можливі геометрії їхнього дизайну, перш ніж пропустити їх через алгоритм машинного навчання. Навчаючись на створених зразках, алгоритм зміг передбачити найкращі форми, які б рівномірно розподіляли прикладені напруження й водночас витримували велике навантаження.

Отримавши ці форми у вигляді схем, дослідники використали 3D-принтер для створення нових нанорешіток. Виявилося, що вони можуть витримувати навантаження у 2,03 мегапаскаля на кожен кубічний метр на кілограм – міцність у п'ять разів вища, ніж у титану.

Це перший випадок, коли машинне навчання було застосовано для оптимізації наноархітектурних матеріалів, і ми були шоковані результатами. Він не просто відтворив вдалі геометрії з навчальних даних. Він дізнався, які зміни у формах працюють, а які ні, що дозволило йому передбачити абсолютно нові геометрії кристалічної решітки,
– додав Пітер Серлес.

Дослідники кажуть, що їхні наступні кроки будуть зосереджені на масштабуванні матеріалів до тих пір, поки їх не можна буде використовувати для виготовлення більших компонентів, а також на пошуку ще більш досконалих конструкцій з використанням їхнього процесу.

Основною метою є розробка набагато легших і міцніших компонентів для транспортних засобів у майбутньому. Наприклад, якщо ви заміните компоненти з титану в літаку на цей матеріал, ви зможете заощадити 80 літрів палива на рік на кожен кілограм заміненого матеріалу, кажуть дослідники.