ИИ помог создать революционные наноматериалы, которые легче титана и прочнее стали
«Это может значительно снизить углеродный след авиации»
Репортер Skye Jacobs из Techspot поделился новостью, что исследователи из Университета Торонто (Канада) использовали машинное обучение для разработки наноматериалов, которые сочетают прочность углеродистой стали с легкостью пенопласта. Это открытие может кардинально изменить такие отрасли, как авиастроение и автомобилестроение.
Команда под руководством профессора Тобина Филетера спроектировала материалы с уникальными свойствами: они невероятно прочные, легкие и легко настраиваемые. Эти материалы состоят из микроскопических блоков размером в несколько сотен нанометров. Для сравнения: 100 таких блоков, выстроенных в ряд, будут тоньше человеческого волоса.
Как это работает?
Ученые применили алгоритм машинного обучения на основе байесовской оптимизации, чтобы предсказать оптимальную геометрию для улучшения распределения нагрузки и повышения соотношения прочности к весу. Этот алгоритм потребовал всего 400 точек данных, в то время как другие методы могут требовать 20 000 и более. Это позволило исследователям работать с компактным, но высококачественным набором данных.
Для реализации этого этапа канадская команда сотрудничала с профессором Сынхва Рю и аспирантом Джинвук Йео из Корейского института передовых технологий (KAIST).
Почему это важно?
Это первый случай, когда машинное обучение было использовано для оптимизации наноархитектурных материалов. По словам Питера Серлеса, ведущего автора исследования, опубликованного в журнале Advanced Materials, результаты превзошли все ожидания. Алгоритм не просто воспроизвел успешные геометрии из обучающих данных, но и научился предсказывать совершенно новые структуры, которые ранее не рассматривались.
Как создавали материал?
Для экспериментальной проверки команда использовала 3D-принтер с двухфотонной полимеризацией, чтобы создать прототипы на микро- и наноуровне. Оптимизированные нанорешетки оказались более чем в два раза прочнее существующих аналогов. Они выдерживают нагрузку в 2,03 мегапаскаля на кубический метр при плотности в один килограмм, что примерно в пять раз прочнее титана.
Где это можно применить?
Профессор Филетер видит огромный потенциал для аэрокосмической отрасли. Например, использование таких материалов для создания сверхлегких компонентов самолетов, вертолетов и космических кораблей может значительно снизить их вес. По оценкам исследователей, замена титановых деталей на новом материале позволит сэкономить 80 литров топлива в год на каждый килограмм замененного материала. Это серьезный шаг к снижению углеродного следа авиации.
Что дальше?
Проект объединил усилия специалистов в области материаловедения, машинного обучения, химии и механики. В нем участвовали международные партнеры из Технологического института Карлсруэ (Германия), MIT и Университета Райса. Следующий шаг — масштабирование производства этих материалов. Команда также планирует исследовать новые матрицы, которые позволят еще больше снизить плотность материала, сохраняя при этом высокую прочность и жесткость.
Это открытие не только демонстрирует мощь искусственного интеллекта в науке, но и открывает двери для новых технологий, которые могут изменить наше будущее.
