麻省理工學(xué)院 CSAIL 使用 AI 和 3D 打印開發(fā)微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料

2024年2月8日，麻省理工學(xué)院 CSAIL 的研究團隊在材料設(shè)計領(lǐng)域顛覆了傳統(tǒng)的試錯方法，通過新型的計算設(shè)計方法創(chuàng)造出具有優(yōu)異性能的材料。科學(xué)家們的新系統(tǒng)集成了物理實驗、基于物理的模擬和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以解決理論模型和實際結(jié)果之間經(jīng)常出現(xiàn)的差異。該研究最引人注目的成果之一是發(fā)現(xiàn)了微結(jié)構(gòu)復(fù)合材料（用于從汽車到飛機的各種領(lǐng)域），這種復(fù)合材料更堅韌、更耐用，并且具有剛度和韌性的最佳平衡。

相關(guān)研究以題為“Computational Discovery of Microstructured Composites with Optimal Stiffness-Toughness Trade-Offs”論文發(fā)表在本月早些時候的《科學(xué)進展》上。論文主要作者為來自麻省理工學(xué)院 CSAIL的Li，其他作者包括浦項科技大學(xué)副教授Tae-Hyun Oh和麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)與人工智能實驗室成員鄧博磊（現(xiàn)任喬治亞理工助理教授）、壽婉（現(xiàn)任阿肯色大學(xué)助理教授）、胡遠明（2018年碩士，2021年博士）、羅一悅（2020年碩士）和石亮。該團隊的研究部分得到了巴登苯胺和蘇打廠（BASF）的支持。他們的論文本月早些時候發(fā)表在《科學(xué)進展》雜志上。

論文鏈接：https://www.voxelmatters.com/wp-content/uploads/2024/02/CSAIL-Microstructures-1.24.pdf

負責(zé)該項目的首席研究員表示：“復(fù)合材料設(shè)計和制造是工程的基礎(chǔ)。我們的工作的影響有望遠遠超出固體力學(xué)領(lǐng)域。我們的方法為計算設(shè)計提供了藍圖，可以適用于高分子化學(xué)、流體動力學(xué)、氣象學(xué)甚至機器人學(xué)等不同領(lǐng)域�！�

這項研究的重點是尋找兩種關(guān)鍵材料特性（剛度和韌性）之間的平衡。該方法涉及兩種類型基材的大型設(shè)計空間（一種是硬脆的，另一種是軟且延展的），以探索各種空間排列以發(fā)現(xiàn)最佳的微觀結(jié)構(gòu)。

研究人員方法的一個關(guān)鍵創(chuàng)新是使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為模擬的替代模型，從而減少材料設(shè)計所需的時間和資源。來自麻省理工學(xué)院 CSAIL的研究人員Li表示：“這種由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速的進化算法指導(dǎo)我們的探索，使我們能夠有效地找到性能最好的樣本�！�

神奇的微觀結(jié)構(gòu)

麻省理工學(xué)院 CSAIL 團隊首先制作 3D 打印光聚合物，其大小與智能手機差不多，但更纖薄，并在每個光聚合物上添加一個小凹口和三角形切口。經(jīng)過專門的紫外線處理后，使用標準測試機 Instron 5984 對樣品進行評估，進行拉伸測試以測量強度和柔韌性。

同時，這項研究將物理試驗與復(fù)雜的模擬相結(jié)合。使用高性能計算框架，團隊可以在創(chuàng)建材料之前預(yù)測和完善材料特性。據(jù)研究團隊稱，項目最大的突破在于將不同材料在微觀尺度上進行結(jié)合的技術(shù)，這種方法涉及融合剛性和柔韌物質(zhì)的微小液滴的復(fù)雜圖案，并在強度和靈活性之間取得適當(dāng)?shù)钠胶�。模擬結(jié)果與物理測試結(jié)果非常接近，驗證了整體的有效性。

最重要的是“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速多目標優(yōu)化”（NMO）算法——用于導(dǎo)航微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜設(shè)計景觀——揭示了表現(xiàn)出接近最佳機械屬性的配置。該工作流程就像一個自我糾正機制，不斷完善預(yù)測以更接近現(xiàn)實。

然而，Li 強調(diào)了保持 3D 打印一致性以及將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、模擬和現(xiàn)實世界實驗集成到高效管道中的困難。麻省理工學(xué)院 CSAIL 團隊致力于提高該流程的可用性和可擴展性。Li預(yù)見了實驗室完全自動化的未來，最大限度地減少人工監(jiān)督并最大限度地提高效率：“我們的目標是看到從制造到測試和計算的一切都在集成實驗室設(shè)置中實現(xiàn)自動化�！�