摘要：使用机器学习和 3D 打印机制造的新型纳米材料使现有设计的强度增加了一倍多。这项新研究背后的科学家表示，它们可以用于飞机和汽车的更坚固、更轻、更省油的部件。他们于 1 月 23 日在《先进材料》杂志上发表了他们的发现。

这项新技术可以生产用于直升机、飞机和航天器的材料。

新纳米材料的图像。 （图片来源：Peter Serles/多伦多大学工程学院）

科学家们利用人工智能 （AI） 设计了前所未有的纳米材料，这些材料具有碳钢的强度和泡沫塑料的轻盈。

使用机器学习和 3D 打印机制造的新型纳米材料使现有设计的强度增加了一倍多。这项新研究背后的科学家表示，它们可以用于飞机和汽车的更坚固、更轻、更省油的部件。他们于 1 月 23 日在《先进材料》杂志上发表了他们的发现。

“我们希望这些新材料设计最终能在飞机、直升机和航天器等航空航天应用中实现超轻重量组件，从而减少飞行过程中的燃料需求，同时保持安全性和性能，”合著者、多伦多大学工程学教授托宾·菲莱特（Tobin Filleter）在一份声明中说。“这最终有助于减少飞行的高碳足迹。”

在许多材料中，强度和韧性经常不一致。以陶瓷餐盘为例：虽然餐盘通常很坚固并且可以承载重物，但它们的强度是以韧性为代价的——不需要太多能量就能使它们破碎。

同样的问题也适用于纳米结构材料，它们由大量微小的、重复的构建块构成，其厚度为人类头发粗细的 1/100，使其相对于其重量而言既坚固又坚硬，但也可能导致应力集中，从而导致突然断裂。到目前为止，这种破碎的趋势限制了这些材料的应用。

“当我思考这个挑战时，我意识到这是机器学习需要解决的完美问题，”第一作者、加州理工学院工程研究员彼得·塞尔斯 （Peter Serles） 在声明中说。

为了寻找更好的纳米材料设计方法，研究人员模拟了他们设计的可能几何形状，然后再通过机器学习算法进行模拟。通过从他们生成的设计中学习，该算法能够预测出在承受重负载的同时均匀分布施加应力的最佳形状。

有了这些形状，研究人员使用 3D 打印机制造了新的纳米晶格，发现它们可以承受每公斤每立方米 2.03 兆帕的压力——强度是钛的五倍。

“这是第一次应用机器学习来优化纳米架构材料，我们对这些改进感到震惊，”Serles 说。“它不仅从训练数据中复制了成功的几何图形;它从形状的哪些变化有效，哪些无效中学习，从而能够预测全新的晶格几何形状。

研究人员表示，他们的下一步将集中在扩大材料规模，直到它们可以用于制造更大的组件，同时还将使用他们的工艺寻找更好的设计。主要目标是为未来的车辆设计更轻、更坚固的部件。

“例如，如果你要用这种材料替换飞机上的钛部件，你每更换一公斤材料，每年可以节省 80 升燃料，”Serles 说。

来源：晓霞科技讲堂