ИИ открывает метаматериалы с необычными свойствами
Покрытие, которое может скрывать объекты на виду, или имплант, который ведет себя точно так же, как костная ткань, — эти необычные объекты уже сделаны из «метаматериалов». Исследователи из Делфтского технического университета разработали инструмент искусственного интеллекта, который не только может обнаруживать такие необычные материалы, но также делает их готовыми к изготовлению и делает их долговечными. Это дает возможность создавать устройства с беспрецедентными функциональными возможностями. Они опубликовали свои выводы в Advanced Materials. Свойства обычных материалов, такие как жесткость и гибкость, определяются молекулярным составом материала, а свойства метаматериалов определяются геометрией структуры, из которой они построены. Исследователи проектируют эти структуры в цифровом виде, а затем распечатывают их на 3D-принтере. Полученные метаматериалы могут проявлять неестественные и экстремальные свойства. Исследователи, например, разработали метаматериалы, которые, несмотря на то, что они твердые, ведут себя как жидкость.
«Традиционно дизайнеры используют доступные им материалы для разработки нового устройства или машины. Проблема в том, что диапазон доступных свойств материала ограничен. Некоторые свойства, которые нам хотелось бы иметь, просто не существуют в природе. Наш подход таков: скажите нам, какие свойства вы хотите иметь, и мы спроектируем соответствующий материал с этими свойствами. Тогда вы получите на самом деле не материал, а нечто среднее между структурой и материалом, метаматериал", - говорит профессор. Амир Задпур из кафедры биомеханической инженерии. Такой процесс открытия материала требует решения так называемой «обратной задачи»: проблемы поиска геометрии, которая приводит к желаемым свойствам. Обратные задачи, как известно, трудно решить, и именно здесь на сцену выходит ИИ. Исследователи Делфтского технического университета разработали модели глубокого обучения, которые решают эти обратные задачи.
«Даже когда обратные задачи решались в прошлом, они были ограничены упрощающим предположением, что мелкомасштабная геометрия может быть создана из бесконечного числа строительных блоков. Проблема с этим предположением заключается в том, что метаматериалы обычно изготавливаются с помощью 3D-печати. а настоящие 3D-принтеры имеют ограниченное разрешение, что ограничивает количество строительных блоков, которые помещаются в данное устройство», — говорит первый автор доктор Хелда Пахлавани. Модели искусственного интеллекта, разработанные исследователями Делфтского технического университета, открывают новые горизонты, обходя любые подобные упрощающие предположения. «Теперь мы можем просто спросить: сколько строительных блоков ваша технология производства позволяет разместить в вашем устройстве? Затем модель находит геометрию, которая дает вам желаемые свойства для того количества строительных блоков, которое вы действительно можете изготовить». Основной практической проблемой, которой пренебрегали в предыдущих исследованиях, была долговечность метаматериалов. Большинство существующих конструкций ломаются после многократного использования.
Это связано с тем, что существующие подходы к проектированию метаматериалов не учитывают долговечность. «До сих пор речь шла только о том, каких свойств можно достичь. Наше исследование учитывает долговечность и выбирает наиболее долговечные конструкции из большого числа кандидатов на разработку. Это делает наши разработки действительно практичными, а не просто теоретическими авантюрами», — говорит Задпур. Возможности метаматериалов кажутся безграничными, но весь потенциал еще далек от реализации, говорит доцент Мохаммад Дж. Мирзаали, автор-корреспондент публикации. Это связано с тем, что поиск оптимальной конструкции метаматериала в настоящее время все еще во многом основан на интуиции, требует проб и ошибок и, следовательно, является трудоемким. Использование обратного процесса проектирования, в котором желаемые свойства являются отправной точкой проектирования, все еще очень редко встречается в области метаматериалов. «Но мы считаем, что шаг, который мы предприняли, является революционным в области метаматериалов. Он может привести к появлению множества новых приложений». Возможно применение в ортопедических имплантатах, хирургических инструментах, мягких роботах, адаптивных зеркалах и экзокостюмах.
