Прочность стали и лёгкость пенопласта: машинное обучение и 3D-печать открыли путь для особого материала
Исследователи из Университета Торонто использовали машинное обучение для разработки наноструктурированных материалов. Свойства новинок удивительны: прочность углеродистой стали и при этом лёгкость, как у пенопласта.
Группа канадских специалистов под руководством профессора Тобина Филлетара создала наноматериалы, сочетающие в себе исключительную прочность, малый вес и возможность подстраивать изделия под различные нужды. Польза от изобретения может заинтересовать представителей разных отраслей, от автомобилестроения до аэрокосмической промышленности.
Подробности изложил соавтор научной работы Питер Серлес. Он сказал, что наноструктурированные материалы сочетают в себе, например, мостики из треугольников, что позволяет использовать эффект «чем меньше, тем прочнее». Тем самым и удалось достичь высочайшего соотношения прочности и жёсткости к весу среди всех известных ныне материалов.
Типичные формы и геометрия решёток, как правило, имеют острые пересечения и углы, что приводит к преждевременному разрушению материалов.
— Серлес.
Материалы из наноструктур состоят из крошечных строительных блоков или повторяющихся элементов размером в несколько сотен нанометров. Чтобы получить толщину с человеческий волос, потребуется сложить более 100 таких блоков! Созданные из углерода, они образуют сложные объёмные нанорешётки.
Чтобы разработать удивительные материалы, Серлес и Филлетер работали с коллегами из Южной Кореи, Германии и США. Корейские участники проекта использовали многоцелевой алгоритм машинного обучения. На основе смоделированных геометрических форм программа предсказывала наилучшую геометрию для оптимального распределения напряжений и повышения соотношения прочности к весу у будущих наноконструкций.
Затем Серлес использовал 3D-принтер для создания реальных прототипов. Технология печати с так называемой двухфотонной полимеризацией позволяла создавать углеродные нанорешётки в микро- и наномасштабе.
Улучшенные нанорешётки более чем в два раза превзошли по прочности существующие конструкции. Они выдерживали нагрузку в 2,03 мегапаскаля на каждый кубический метр, что по плотности примерно в 5 раз выше, чем у титана.
Слева направо: полная геометрия решётки в сравнении с решёткой из 18,75 млн ячеек на воздушном пузыре
— Серлес.
Многоцелевому байесовскому алгоритму оптимизации потребовалось всего 400 точек данных. А другим алгоритмам бывает необходимо 20 000 или более точек для построения структур. Таким образом, учёные смогли работать с небольшим, но чрезвычайно качественным набором данных.
Филлеттер выразил надежду, что новые материалы в итоге приведут к созданию сверхлёгких деталей для самолётов, вертолётов и космических кораблей. Это помогло бы сократить расход топлива, сохраняя при этом безопасность и производительность летательных аппаратов.
— Серлес.
Группа канадских специалистов под руководством профессора Тобина Филлетара создала наноматериалы, сочетающие в себе исключительную прочность, малый вес и возможность подстраивать изделия под различные нужды. Польза от изобретения может заинтересовать представителей разных отраслей, от автомобилестроения до аэрокосмической промышленности.
Подробности изложил соавтор научной работы Питер Серлес. Он сказал, что наноструктурированные материалы сочетают в себе, например, мостики из треугольников, что позволяет использовать эффект «чем меньше, тем прочнее». Тем самым и удалось достичь высочайшего соотношения прочности и жёсткости к весу среди всех известных ныне материалов.
Типичные формы и геометрия решёток, как правило, имеют острые пересечения и углы, что приводит к преждевременному разрушению материалов.
Размышляя над этой проблемой, я понял, что это идеальная задача для машинного обучения
— Серлес.
Материалы из наноструктур состоят из крошечных строительных блоков или повторяющихся элементов размером в несколько сотен нанометров. Чтобы получить толщину с человеческий волос, потребуется сложить более 100 таких блоков! Созданные из углерода, они образуют сложные объёмные нанорешётки.
Чтобы разработать удивительные материалы, Серлес и Филлетер работали с коллегами из Южной Кореи, Германии и США. Корейские участники проекта использовали многоцелевой алгоритм машинного обучения. На основе смоделированных геометрических форм программа предсказывала наилучшую геометрию для оптимального распределения напряжений и повышения соотношения прочности к весу у будущих наноконструкций.
Затем Серлес использовал 3D-принтер для создания реальных прототипов. Технология печати с так называемой двухфотонной полимеризацией позволяла создавать углеродные нанорешётки в микро- и наномасштабе.
Улучшенные нанорешётки более чем в два раза превзошли по прочности существующие конструкции. Они выдерживали нагрузку в 2,03 мегапаскаля на каждый кубический метр, что по плотности примерно в 5 раз выше, чем у титана.
Слева направо: полная геометрия решётки в сравнении с решёткой из 18,75 млн ячеек на воздушном пузыреЭто первый случай, когда машинное обучение применялось для оптимизации материалов с наноархитектурой, и мы были поражены улучшениями. Компьютер не просто воспроизвёл оптимальную геометрию из обучающих данных — он также изучил, какие изменения в формах работают, а какие нет. И это позволило предсказывать совершенно новые геометрии решёток
— Серлес.
Многоцелевому байесовскому алгоритму оптимизации потребовалось всего 400 точек данных. А другим алгоритмам бывает необходимо 20 000 или более точек для построения структур. Таким образом, учёные смогли работать с небольшим, но чрезвычайно качественным набором данных.
Филлеттер выразил надежду, что новые материалы в итоге приведут к созданию сверхлёгких деталей для самолётов, вертолётов и космических кораблей. Это помогло бы сократить расход топлива, сохраняя при этом безопасность и производительность летательных аппаратов.
Например, если заменить титановые детали в самолёте на новый материал, это сэкономило бы 80 л топлива в год на каждый килограмм заменённого материала
— Серлес.
- Дмитрий Ладыгин
- shedevrum.ai; advanced.onlinelibrary.wiley.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
3700-летний вирус, спрятанный в средневековых книгах, только что убил 500 тысяч животных
Сколько еще патогенов дремлет в библиотечных хранилищах Европы и России, точно не скажет ни один ученый...
«Этого не должно происходить»: что ученые нашли в облаках Венеры
Там возможны абсолютно другие, просто невероятные формы жизни. И эксперименты это доказали...
Молилась и убивала: какой диагноз ставят Салтычихе психиатры и психологи?
Ученые говорят: феномен жестокости самой страшной помещицы России разгадан, но......
Супервспышка-1947: тогда Земля избежала триллиона бомб. Но успокоилось ли Солнце?
Астрофизики говорят, что нам очень повезло со звездой. Но шансы на глобальную катастрофу все-таки есть...
Карта 1587 года и Ноев ковчег: почему место совпало с раскопками на Арарате?
Длина «судна», кстати, тоже совпала, и это не может не настораживать...
«Выстрел» прямо в Землю: астрономы обнаружили черную дыру, выбрасывающую струю в сторону нашей планеты
Ученые рассказали, как это поможет разгадать важную космическую тайну...
Камчатка 1000 лет назад: археологи заглянули в исчезнувший мир из космоса
Предков этих людей изгнало мощное извержение вулкана, но через столетия они вернулись в родные земли...
Жизнь за пределами Земли: что рассказала ученым межзвездная комета 3I/ATLAS?
Объект настолько древний, что его возраст крайне сложно представить. И это не единственная загадка пришельца из глубокого космоса...
Нашли тайную комнату в гробнице Тутанхамона: почему там может быть Нефертити?
Если гипотеза подтвердится, это будет крупнейшее археологическое открытие современной эпохи...
Астрономы поймали сигнал из космоса: пришельцы или помеха?
И почему главная проблема в том, что мы мастерски сами себе мешаем за пределами Земли?...
928 разбросанных костей в Гёбекли-Тепе: спустя 30 лет раскопок тайна древнейшего храма наконец-то раскрыта
Однако археологи признаются: от открытия им проще не стало. Напротив, все еще больше запуталось...
Черная смерть — двигатель прогресса: как эпидемия чумы в корне поменяла ход истории в Европе
Неожиданно: книгопечатание, отмена крепостного права, раскол западного христианства — это лишь немногие последствия пандемии...
Тихий океан стал вести странно: молодая вода быстро стареет, а старая, наоборот, молодеет. В чем причина?
Особенно страдает северная часть океана. Но и есть хорошая новость...
Поделили Москву на «зоны влияния»: генетики рассказали, как живут крысиные «народы» столицы
Почему московские грызуны оказались «неуязвимыми мутантами» и зачем им реки для жизни?...
Таинственные пещерные иероглифы в Мексике раскрывают давно потерянную письменность
Оказалось, что разгадки лучше всего искать не в городах, а на склонах гор в глуши...
Земля... это космическая марионетка: оказалось, что Солнце и Луна могут трясти планету сутками
Сейсмологи рассказали, что наблюдения за космическими приливами, поможет предсказывать мегаземлетрясения, цунами и даже извержения вулканов...