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
В Красноярске обнаружены следы глобальной катастрофы, случившейся 12 800 лет назад
Это было внезапно, ужасно и очень быстро: гигантская волна или ударная волна прошлась по этим местам, сметая все на своем пути и перетасовывая кости людей,...
Почему Христос умер на кресте быстрее, чем разбойники: ученые объяснили эпизод из Нового Завета
Поразительно, но это был целый клубок событий, которые произошли в последние сутки до распятия...
Кто убивает итальянских волков: зоологи были потрясены кадрами с автоматической камеры
Трагический эпизод показал, что некоторые зоологические теории придется кардинально пересмотреть. У серых хищников есть неожиданные враги...
Атомная катастрофа Гитлера: оказывается, немцы едва не устроили собственную Хиросиму еще в 1942 году
Почему громкая авария в лаборатории поставила жирный крест на мечтах Германии поработить всю планету?...
300-летний секрет «золотых» скрипок Страдивари наконец-то разгадан?
И почему ученые в поисках тайны забрели в отдаленную долину в самом сердце Итальянских Альп?...
Американский «Чернобыль-80»: эта катастрофа едва не изменила всю историю США
Эксперты говорят: лишь счастливая случайность не позволила взорваться заряду в 600 (!) раз мощнее хиросимской бомбы...
Киты-убийцы замечены в каннибализме? Российские ученые обнаружили окровавленные плавники на берегу
Эта «война», по словам исследователей, продолжается уже… 100 000 лет...
80 лет без Звезды Героя: почему офицер, поставивший Знамя Победы, не получил заслуженную награду при жизни?
Только указ Президента России смог исправить одну из самых вопиющих несправедливостей в советской истории...
Обнаружена древнейшая карта ночного неба, которая 2000 лет считалась утраченной навсегда
Это был настоящий научный детектив: текст скрывался в неожиданном месте. Современные технологии доказали, что написанное раз стереть полностью уже невозможно...
«Кровавая» история водопада Блад-Фоллс: почему ученые сравнивают это место с Марсом?
Эта антарктическая аномалия больше века не давала покоя исследователям, но в 2018 году завеса тайны все же приоткрылась...
Каменный топор со дна реки может переписать древнейшую историю Сибири
По словам ученых, получился отличный научный детектив: добыча золота, артефакт бронзового века, забытая цивилизация...
Почему на Иран обрушился черный дождь и насколько он опасен?
Экологи говорят: агрессивные действия США и Израиля поставили под угрозу здоровье миллионов людей по всей планете...