Прорывные материалы с прочностью стали, легкие как пена, могут использоваться для создания мощных самолетов:
Исследователи разработали высокопроизводительные материалы с наноархитектурой, которые обладают прочностью углеродистой стали, но легкостью пенополистирола. Разработанные исследователями факультета прикладных наук и инженерии Университета Торонто, наноматериалы предлагают уникальное сочетание исключительной прочности, легкости и настраиваемости.
Ожидается, что эта разработка преобразует широкий спектр отраслей промышленности, от автомобильной до аэрокосмической.
Питер Серлес, первый автор недавнего исследования по этой теме, утверждает, что материалы с наноархитектурой сочетают высокопроизводительные формы, например, создание моста из треугольников, в наномасштабных размерах. Материалы с наноархитектурой используют эффект «чем меньше, тем сильнее», чтобы достичь самых высоких соотношений прочности к весу и жесткости к весу среди всех материалов.
Идеальная задача для машинного обучения
«Однако стандартные формы и геометрии решеток , как правило, имеют острые пересечения и углы, что приводит к проблеме концентрации напряжений. Это приводит к раннему локальному отказу и поломке материалов, ограничивая их общий потенциал», — сказал Серлес.
«Когда я думал об этой задаче, я понял, что это идеальная задача для машинного обучения».
Серлес и профессор Тобин Филлетер (MIE) работали с профессором Сынхва Рю и аспирантом Джинвук Ё в Корейском передовом институте науки и технологий (KAIST) в Тэджоне, Южная Корея, над разработкой своих улучшенных материалов. Это партнерство было инициировано в рамках программы международных докторских кластеров UoT.
Многоцелевой байесовский алгоритм оптимизации МО
Исследователи утверждают, что команда KAIST использовала многоцелевой байесовский алгоритм машинного обучения оптимизации. Этот алгоритм обучался на основе смоделированных геометрий, чтобы предсказать наилучшие возможные геометрии для улучшения распределения напряжений и улучшения соотношения прочности к весу наноархитектурных конструкций.
Наноархитектурные материалы состоят из крошечных строительных блоков или повторяющихся единиц размером в несколько сотен нанометров — для достижения толщины человеческого волоса потребовалось бы более 100 из них, расположенных в ряд. Эти строительные блоки, которые в данном случае состоят из углерода, организованы в сложные трехмерные структуры, называемые нанорешетками, согласно пресс-релизу UoT.
Серлес подчеркнул, что это первый случай применения машинного обучения для оптимизации наноархитектурных материалов, и исследователи были шокированы улучшениями.
Сверхлегкие компоненты для аэрокосмической отрасли
«Она не просто воспроизводила успешные геометрии из обучающих данных; она училась на основе того, какие изменения форм сработали, а какие нет, что позволило ей предсказывать совершенно новые геометрии решеток», — пояснил Серлес.
Он подчеркнул, что машинное обучение обычно требует больших объемов данных, и сложно сгенерировать много данных при использовании высококачественных данных из конечно-элементного анализа. Но многоцелевой байесовский алгоритм оптимизации требовал всего 400 точек данных, тогда как другим алгоритмам может потребоваться 20 000 или больше.
«Таким образом, мы смогли работать с гораздо меньшим, но чрезвычайно высококачественным набором данных», — сказал Серлес.
Ожидается, что эти новые конструкции материалов в конечном итоге приведут к созданию сверхлегких компонентов в аэрокосмических приложениях, таких как самолеты, вертолеты и космические аппараты, которые могут снизить потребление топлива во время полета, сохраняя при этом безопасность и производительность. Исследователи полагают, что это в конечном итоге может помочь сократить высокий углеродный след полетов.
«Например, если бы вы заменили компоненты из титана на самолете этим материалом, вы бы увидели экономию топлива в размере 80 литров в год на каждый килограмм замененного материала», — добавил Серлес.
Теперь исследователи сосредоточатся на дальнейшем улучшении масштабирования этих конструкций материалов, чтобы обеспечить экономически эффективные макромасштабные компоненты.
Исследование , опубликованное в журнале Advanced Materials, демонстрирует использование многофокусной многофотонной полимеризации для создания метаматериала миллиметрового масштаба, состоящего из 18,75 миллионов ячеек решетки с нанометровыми размерами.
Читайте нашу главную страницу — Взгляд в будущее, Инновации, Технологии, Наука, Новые открытия, Изобретения