多倫多大學(xué)借助AI和3D打印技術(shù)為航空航天開發(fā)既堅(jiān)固又輕盈的納米結(jié)構(gòu)材料

南極熊導(dǎo)讀：納米結(jié)構(gòu)材料處于超材料設(shè)計(jì)的前沿，并已在多種當(dāng)代應(yīng)用中設(shè)定了機(jī)械性能的基準(zhǔn)。然而，具有常規(guī)拓?fù)涞膫鹘y(tǒng)納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表現(xiàn)出較差的應(yīng)力分布并導(dǎo)致過(guò)早的節(jié)點(diǎn)失效。因此，研究者們正致力于開發(fā)更加復(fù)雜和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，以提高材料的強(qiáng)度和耐用性。

△借助人工智能和3D打印技術(shù)開發(fā)具有高壓縮剛度和強(qiáng)度的碳納米晶格結(jié)構(gòu)

2025年1月30日，南極熊獲悉，多倫多大學(xué)的研究人員通過(guò)人工智能（AI）和先進(jìn)的3D打印技術(shù)，成功開發(fā)出一種創(chuàng)新的納米結(jié)構(gòu)材料。這種材料不僅具有碳鋼的高強(qiáng)度，還具備了聚苯乙烯泡沫的輕盈性，為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)了新的突破。

該材料的開發(fā)，是基于對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)的深入理解和優(yōu)化。通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法，研究團(tuán)隊(duì)能夠預(yù)測(cè)和模擬材料在不同條件下的行為，從而設(shè)計(jì)出具有所需特性的納米結(jié)構(gòu)。同時(shí)，3D打印技術(shù)則允許這些復(fù)雜的設(shè)計(jì)得以物理實(shí)現(xiàn)，制作出具有精確控制的微觀結(jié)構(gòu)的材料樣本。

△研究人員Tobin Filleter和Peter Serles

適用于超輕、高強(qiáng)度航空航天應(yīng)用的納米結(jié)構(gòu)3D打印材料

研究人員Peter Serles和Tobin Filleter與韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）合作，開發(fā)了這種材料。這些材料由數(shù)百納米的小型重復(fù)單元構(gòu)成。要達(dá)到人類頭發(fā)的粗細(xì)，需要排列超過(guò)100個(gè)這樣的單元。這些單元主要由碳構(gòu)成，形成了復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，稱為納米晶格。

△碳納米晶格的生成設(shè)計(jì)流程示意圖

首席研究員之一Peter Serles解釋道：“納米結(jié)構(gòu)材料結(jié)合了高性能形狀，例如利用納米尺寸的三角形構(gòu)建橋梁，實(shí)現(xiàn)‘越小越強(qiáng)’的效應(yīng)。這使得材料具有最高的強(qiáng)度重量比和剛度重量比。然而，標(biāo)準(zhǔn)晶格形狀和幾何形狀通常包含尖銳的交叉點(diǎn)和拐角，這會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中的問(wèn)題，從而引起材料早期的局部失效和斷裂，限制了它的整體潛力。當(dāng)我面對(duì)這一挑戰(zhàn)時(shí)，我意識(shí)到機(jī)器學(xué)習(xí)可以提供解決方案�！�

△相關(guān)研究題目為“通過(guò)貝葉斯優(yōu)化碳納米晶格實(shí)現(xiàn)超高比強(qiáng)度”（傳送門）

團(tuán)隊(duì)利用人工智能算法預(yù)測(cè)了最佳形狀，以提升材料的強(qiáng)度和減輕重量。隨后，Serles利用雙光子聚合3D打印機(jī)制造了微納米級(jí)原型。改進(jìn)后的納米晶格強(qiáng)度比以往的模型提高了一倍多，能夠承受每立方米每公斤2.03兆帕的壓力，約為鈦的五倍。

△宏觀納米晶格停留在氣泡上

Serles解釋道：“這是人工智能首次應(yīng)用于優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)材料，我們對(duì)這種改進(jìn)感到震驚。它不僅復(fù)制了訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的成功幾何形狀，還從形狀變化的有效性和無(wú)效性中學(xué)習(xí)，從而預(yù)測(cè)出全新的晶格幾何形狀。通常，機(jī)器學(xué)習(xí)非常依賴數(shù)據(jù)，而高質(zhì)量的數(shù)據(jù)通常難以生成，尤其是當(dāng)使用有限元分析時(shí)。但是，多目標(biāo)貝葉斯優(yōu)化算法只需要400個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，而其它算法可能需要2萬(wàn)個(gè)或更多。因此，我們能夠使用規(guī)模更小但質(zhì)量更高的數(shù)據(jù)集�！�

△用于機(jī)械增強(qiáng)的多目標(biāo)貝葉斯優(yōu)化機(jī)制

研究人員表示，這些新設(shè)計(jì)的目的是為了航空航天應(yīng)用（如飛機(jī)、直升機(jī)和航天器）制造超輕部件。這些材料有助于降低燃料消耗，同時(shí)保持安全和性能標(biāo)準(zhǔn)。