AI設計超輕鋼材：飛機太空船慳油新希望

科學家利用人工智能設計出新型納米材料，強度如碳鋼，輕盈如泡沫

科學家們使用人工智能（AI）設計出前所未見的納米材料，這些材料的強度可與碳鋼媲美，同時又輕如聚苯乙烯泡沫。這些新型納米材料是通過機器學習和3D打印技術製作的，其強度超過現有設計的兩倍。參與這項研究的科學家表示，這些材料可以用於製造更強、更輕且更省油的飛機和汽車零部件。他們的研究成果於1月23日發表在《先進材料》期刊上。

共同作者、多倫多大學工程學教授托賓·菲萊特（Tobin Filleter）在新聞稿中表示：「我們希望這些新材料的設計最終能在航空航天應用中實現超輕量的零部件，例如飛機、直升機和航天器，從而在保持安全和性能的同時減少飛行中的燃料需求。這最終有助於降低飛行的高碳足跡。」

在許多材料中，強度和韌性往往是相互矛盾的。例如，陶瓷餐盤通常強度很高，可以承受重物，但其強度的代價是韌性——稍微用力就可能使它們破裂。納米結構材料同樣存在這個問題，這些材料由數以千計的微小重複單元組成，厚度僅為人類頭髮的1/100，雖然使它們在重量方面具有良好的強度和剛性，但也容易因應力集中而導致突發性破裂。迄今為止，這種易碎性限制了這些材料的應用。

首席作者、加州理工學院的工程研究員彼得·塞爾斯（Peter Serles）表示：「當我考慮這個挑戰時，我意識到這是機器學習能夠解決的完美問題。」為了尋找更好的納米材料設計方法，研究人員模擬了設計的可能幾何形狀，然後將其通過機器學習算法進行處理。通過學習所生成的設計，該算法能夠預測最佳形狀，讓施加的應力均勻分佈，同時承載重負。

研究人員使用3D打印技術製作了這些新型納米晶格，發現它們能夠承受每立方米每公斤2.03兆帕的應力，這一強度是鈦的五倍。

塞爾斯表示：「這是第一次將機器學習應用於優化納米結構材料，我們對改善的效果感到震驚。它不僅僅是重複訓練數據中的成功幾何形狀，而是學會了哪些形狀的變化有效，哪些無效，從而能夠預測全新的晶格幾何形狀。」

研究人員表示，他們的下一步將集中在擴大材料的規模，以便能夠製造更大規模的零部件，並同時尋找更好的設計。主要目標是為未來的車輛設計更輕更強的零部件。

塞爾斯說：「例如，如果用這種材料替換飛機上的鈦部件，每替換一公斤材料，每年可節省80升的燃料。」

在這項研究中，人工智能的應用不僅推動了納米材料的創新，還可能對航空航天和交通運輸行業的未來發展產生深遠影響。隨著對環保和燃料效率的日益重視，這類新材料的出現無疑將成為行業變革的催化劑。此外，這也引發了對其他領域，如建築和電子產品，可能採用類似材料的想像。未來，我們不僅可能會看到更高效的交通工具，還可能在我們的日常生活中體驗到更輕便、堅固的材料應用。

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