
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.

Это 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

Голубые гренландские озера превратились в коричневые фабрики по производству парниковых газов
Эксперты говорят: вода в этих озерах — бомба замедленного действия....

Секретные символы на карте XVI века позволят открыть величайшую тайну Америки
Эксперты уверены: разгадка пропавшей колонии Роанок близка как никогда....

Почему мужчины эволюционируют вдвое быстрее женщин?
Новое исследование ставит под вопрос наши представления о биологии....

Что скрывает «идеальный квадрат» на Марсе?
Версии ученых, конспирологов и Илона Маска....

Сталин пообещал целый миллион долларов за расшифровку письменности древней цивилизации
Участвовать в конкурсе, объявленном правительством индийского штата, может абсолютно любой желающий....

Неандертальцы не просто выжили в ледниковый период — они процветали
Доказательство тому — археологические раскопки....

Отсекли голову, а тело «разобрали» на части
Ученые нашли очередную «вампирскую» могилу в Хорватии....

Едва не получила премию Дарвина: американка ввела себе яд чёрной вдовы
Пытаемся разобраться: что было потом и зачем вообще это было сделано....

Вселенная ускоряется… или мы все ошибаемся?
Космический телескоп открыл данные, которые поставили ученых в тупик....

Почти люди: бонобо осознавали человеческое непонимание и влияли на ситуацию
Важная способность подсказывать и делиться знаниями....

Развенчан миф о породах собак: удивительная правда о мнимых «сверхспособностях»
Не считая плоскомордых....

Волшебное слово на букву f: непрошенные выдачи в Google легко победить сквернословием
Впрочем, эту лазейку вскоре могут закрыть....

С помощью ИИ получили самовосстанавливающийся асфальт
Сделан шаг к более экономичным дорогам....

Жить в Британии становится все опаснее: теперь жителям угрожают вспышки диареи
По словам ученых, это последствия изменения климата. И это только начало…...

Super в действии: резвый беспилотник умеет преследовать даже в тёмном лесу
Новинка из Гонконга уверенно летает по неизвестной местности....

Таинственный спонсор финансирует проект по созданию поселения на дне морском
Неизвестно, кто направляет деньги на создание подводных колоний....