Изображение нового наноматериала.

(Фото: Питер Серлес/Инженерный факультет Университета Торонто)

 

Учёные использовали искусственный интеллект (ИИ) для создания ранее не встречавшихся наноматериалов с прочностью углеродистой стали и лёгкостью пенопласта.

 

Новые наноматериалы, созданные с использованием машинного обучения и 3D-принтера, более чем вдвое увеличили прочность существующих конструкций. Учёные, стоящие за новым исследованием, заявили, что их можно использовать в более прочных, лёгких и экономичных компонентах для самолётов и автомобилей. Они опубликовали свои результаты 23 января в журнале Advanced Materials.

«Мы надеемся, что эти новые конструкции материалов в конечном итоге приведут к появлению сверхлёгких компонентов в аэрокосмической отрасли, таких как самолёты, вертолёты и космические аппараты, которые смогут снизить потребность в топливе во время полёта, сохраняя при этом безопасность и производительность», — заявил соавтор Тобин Филлетер, профессор инженерии Университета Торонто. «Это в конечном итоге может помочь снизить высокий углеродный след от полётов.»

 

Во многих материалах прочность и хрупкость часто противоречат требованиям. Возьмём, к примеру, керамическую тарелку: хотя тарелки обычно крепкие и могут нести тяжёлые нагрузки, они достаточно хрупкие — не требуется много энергии, чтобы их разбить.

 

Та же проблема касается наноархитектурных материалов, изготовление которых из множества крошечных, повторяющихся строительных блоков толщиной в 1/100 человеческого волоса делает их прочными и жёсткими для своего веса, но также возможны концентрации напряжения, приводящие к внезапным поломкам. Пока что эта склонность к разрушению ограничивала применение материалов.

 

Для поиска лучших способов проектирования наноматериалов исследователи смоделировали возможные геометрии своих проектов, прежде чем провести их через алгоритм машинного обучения. Изучая разработанные ими конструкции, алгоритм смог предсказывать лучшие формы, которые равномерно распределяют приложенные напряжения, одновременно неся большой груз.

 

Имея в руках эти формы, исследователи использовали 3D-принтер для создания новых нанорешёток, выяснив, что они могут выдерживать напряжение в 2,03 мегапаскаля на каждый кубический метр на килограмм — прочность, которая в пять раз превышает прочность титана.

 

«Это первый раз, когда машинное обучение применяется для оптимизации материалов с наноархитектурой, и мы были шокированы улучшениями», — сказал первый автор Питер Серлес, инженерный исследователь из Caltech, «Он не просто воспроизводил успешные геометрии из обучающих данных; он учился на том, какие изменения форм работают, а какие нет, что позволяло ему предсказывать совершенно новые геометрии решётки.»

 

Исследователи отметили, что их следующие шаги будут сосредоточены на масштабировании материалов до тех пор, пока их не смогут использовать их для изготовления более крупных компонентов, а также на поиске ещё более совершенных конструкций с использованием нужного процесса. Основная цель — в будущем разрабатывать еще более лёгкие и прочные компоненты для автомобилей.

 

«Например, если бы вы заменили компоненты из титана в самолёте на этот материал, то экономия топлива составила бы 80 литров в год на каждый заменённый килограмм материала», — сказал Серлес.

Источник

Автор: Бен Тернер — британский писатель и редактор Live Science. Он освещает физику и астрономию, технологии и изменение климата. Он окончил Университетский колледж Лондона со степенью по физике частиц, а затем получил образование журналиста. Когда он не пишет, Бен любит читать литературу, играть на гитаре и в шахматы.