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 Нью-Йорке может рухнуть 300-метровый небоскреб, причем не один
Власти твердят, что все безопасно, но статистика неумолима: более сотни жалоб, полторы сотни нарушений, больше сотни штрафов...
В мире заканчивается речной песок: чем это грозит человечеству?
Ученые говорят, что это самая не замечаемая, а оттого опасная проблема, которая уже касается миллионов людей...
Контрабандисты оккупировали Восточную Африку: зачем черных муравьев тайно вывозят в Китай и Европу?
Эксперты предупреждают: такой вывоз в итоге закончится непоправимой экологической катастрофой...
К 2060 году половина плотин в мире выйдет из строя: США — главные в черном списке
Эксперты говорят: если не принять меры, часть Соединенных Штатов может полностью опустеть...
В России снова захотели строить железную дорогу в Индию: почему не удались прошлые попытки?
Эксперты говорят: дерзкий проект мог бы принести российской казне миллиардные прибыли...
За рамками науки: дети, которые помнят свои прошлые жизни
Ученые говорят, что феномена реинкарнации нет, но факты утверждают обратное...
Кольца на деревьях раскрыли тайну гибели последней империи кочевников в Евразии
Поразительно, но падение Джунгарского ханства началось за тысячи километров от Азии, в Северной Атлантике...
Самый наглый археологический фейк в истории: итальянец 20 лет показывал туристам фальшивый амфитеатр Цезаря
Судебный процесс длилось почти десятилетие, но даже сейчас эта история очень далека от завершения...
170 миллионов черных дыр прячутся на кладбищах Млечного Пути
Ученые доказали, что в свое время эти космические объекты в буквальном смысле сбежали с места своего рождения...
Тайна огней Марфы, 150 лет не дававшая покоя ученым, похоже, разгадана
Болотный газ? Огни святого Эльма? НЛО? Ответ оказался намного проще и сложнее одновременно...
Авокадо ежедневно меняет пол, и исследователи, наконец, выяснили, как именно
Почему селекционеры и ботаники ждали этого открытия более 100 лет?...
«Сувенир» от неандертальцев: секреты этих мутаций не разгаданы до конца
Они живут в ДНК 47 000 лет, но почему их совсем нет у африканцев, зато много у жителей Южной Азии...