科學家利用人工智能創造出強度如鋼卻輕如泡沫材料
研究人員使用人工智能和先進製造技術創造出超強、輕量的碳結構。
由 Tibi Puiu
2025年2月8日
多倫多大學的研究人員通過將機器學習（人工智能）與納米級工程相結合，創造出這種令人驚嘆的材料。這一突破可能會徹底改變航空航天和汽車等行業。
尋找更強、更輕的材料
數十年來，工程師們一直在尋找既輕又強的材料。其目標很簡單：減少重量而不犧牲耐用性。在航空航天等行業，這一點尤為關鍵，因為每減少一克的重量都能帶來顯著的燃料節省和性能提升。傳統材料如鋁和鈦都有其限制，而碳纖維雖然是一個遊戲改變者，但也並非沒有缺點。
在推動材料科學的發展過程中，加拿大的研究人員轉向了納米架構材料——這些材料是在納米尺度上設計，以最大化強度並最小化重量。這些材料的靈感來自自然，模仿骨骼、貝殼甚至蜂窩中的結構。但是，設計這些結構並不是一件容易的事。挑戰在於創造能均勻分配應力的幾何形狀，避免出現可能導致失效的弱點。
為了克服這些困難，研究人員轉向貝葉斯優化，這是一種在眾多選擇中尋找最佳設計的機器學習形式。通過將數千次模擬的數據輸入算法，團隊能夠識別出其碳納米晶格的最有效形狀。
“納米架構材料結合了高性能的形狀，比如用三角形構建橋樑的方式，在納米尺度上利用‘小即強’的效應，實現了任何材料中最高的強度重量比和剛度重量比，”新論文的第一作者彼得·塞爾斯（Peter Serles）表示。
“然而，標準的晶格形狀和幾何形狀往往具有尖銳的交叉和角落，這導致了應力集中問題。這會導致材料的早期局部失效和破裂，限制了它們的整體潛力。
“當我思考這一挑戰時，我意識到這是一個非常適合機器學習解決的問題。”
這一過程始於算法生成數千個潛在設計。每個設計都在虛擬環境中使用有限元分析進行測試，這是一種預測材料在應力下行為的計算方法。然後，算法對其設計進行了優化，逐步改進至最大化強度和剛度，同時最小化重量。
一旦機器提供了一個優化設計的短名單，團隊就使用雙光子聚合技術實際創造了這些提議的材料，這是一種能夠以納米精度創建結構的3D打印技術。通過這種技術，他們生產了厚度僅為300到600納米的光柵。這些光柵（尺寸為6.3 x 6.3 x 3.8毫米），由1875萬個獨立單元組成，然後經過熱解處理，該過程通過在富氮環境中加熱至900攝氏度將聚合物轉化為玻璃狀碳。
優化的納米晶格的強度是之前設計的兩倍以上。它們承受的應力達到每立方米每公斤密度2.03兆帕。換句話說，這比許多輕質材料如鋁合金甚至某些形式的碳纖維強十倍以上。其性能約為鈦的五倍。
“這是第一次將機器學習應用於優化納米架構材料，我們對改進感到驚訝，”塞爾斯說。“它不僅僅是重複訓練數據中的成功幾何形狀，而是學習了哪些形狀的變化有效，哪些無效，使其能夠預測全新的晶格幾何形狀。”
強度隨尺寸減小而增加
這些納米晶格為什麼如此強大？答案在於碳在納米尺度上的獨特性質。研究人員發現，將碳光束的直徑減小至僅300納米會顯著提高強度。這是由於一種稱為“尺寸效應”的現象，在極小的尺度下，材料的行為會有所不同。
在納米尺度上，碳原子以最大化強度的方式排列。研究人員發現，碳光束的外層由94% sp²鍵合的碳組成，這是一種以其卓越的強度和剛度而聞名的碳形式。這種高純度的碳外殼，加上光束的優化幾何形狀，使材料能夠承受巨大的力量而不會破裂。
這一潛在影響遠不止於實驗室。超輕的組件可能會很快應用於飛機、直升機和航天器中。更輕的部件可以降低燃料需求並減少排放。
“例如，如果你將飛機上用鈦製成的部件替換為這種材料，你將每年為每公斤替換的材料節省80升燃料，”塞爾斯補充道。
展望未來，研究人員計劃擴大他們的設計。“我們的下一步將專注於進一步提高這些材料設計的規模，以實現經濟高效的宏觀組件，”菲萊特（Filleter）表示。“此外，我們將繼續探索新的設計，將材料架構推向更低的密度，同時保持高強度和剛度。”
這些研究結果發表在《先進材料》期刊上。
這項研究的成果不僅在材料科學領域引起了廣泛關注，更有可能對未來的工程技術產生深遠影響。隨著航空航天和汽車行業對輕量化材料需求的日益增加，這一突破或許能夠實現更高效的能源利用，幫助應對全球暖化和環境問題。這也讓我們看到了機器學習在科學研究中的潛力，它不僅能提高效率，還能推動創新，為未來的材料科學開辟新的可能性。
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