科學(xué)家利用AI創(chuàng)造出一種全新材料：堅(jiān)固如鋼 輕如泡沫 革新航空航天材料科學(xué),！幾十年來,，工程師們一直在尋找既輕便又堅(jiān)固的材料。如果一種材料能在減輕重量的同時(shí)不犧牲耐用性,，那么它將變得非常有用,，特別是在航空航天行業(yè)，因?yàn)槊繙p輕一克重量都可以節(jié)省大量燃料并提高性能,。

鋁鈦合金是航空航天的傳統(tǒng)材料,，它相對較輕且強(qiáng)度很高，但也有局限性,。碳纖維的出現(xiàn)改變了游戲規(guī)則,，但它并不耐磨,，無法像鋁鈦合金那樣用于航空發(fā)動機(jī)。

為了開發(fā)和突破材料科學(xué)的極限,，加拿大的一個研究團(tuán)隊(duì)轉(zhuǎn)向了納米結(jié)構(gòu)材料,，在納米尺度上設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以最大限度地提高材料強(qiáng)度并減輕重量。他們從大自然中汲取靈感,，模仿骨骼,、貝殼甚至蜂巢中的結(jié)構(gòu)。然而,，設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)并非易事,，挑戰(zhàn)在于創(chuàng)建均勻分布應(yīng)力的幾何形狀，避免可能開始失效的薄弱點(diǎn),。

為克服這些障礙,，研究人員使用了貝葉斯優(yōu)化，這是一種人工智能形式,，擅長在無數(shù)選項(xiàng)中找到最佳設(shè)計(jì),。整個過程從算法生成數(shù)千種潛在設(shè)計(jì)開始，每種設(shè)計(jì)都在虛擬環(huán)境中使用有限元分析進(jìn)行測試,。然后,，算法改進(jìn)其設(shè)計(jì)，迭代出強(qiáng)度和剛度最大化,、重量最小化的結(jié)構(gòu),。

人工智能提供了一份優(yōu)化設(shè)計(jì)的簡短列表后，該團(tuán)隊(duì)使用雙光子聚合技術(shù)（一種可以創(chuàng)建納米級精度結(jié)構(gòu)的3D打印技術(shù)）物理創(chuàng)建了所提出的材料,。利用這種技術(shù),，他們制造出由厚度僅為300至600納米的梁組成的晶格，這些晶格（6.3x6.3x3.8毫米）由1875萬個單元組成,。隨后進(jìn)行熱解,，通過在富氮環(huán)境中將聚合物加熱到900攝氏度將其轉(zhuǎn)化為玻璃碳。

這些經(jīng)過人工智能優(yōu)化的納米晶格強(qiáng)度比以前的設(shè)計(jì)高出一倍以上,，可承受每立方米每千克密度2.03兆帕的壓力,。換句話說，它的強(qiáng)度比許多輕質(zhì)材料如鋁鈦合金,，甚至是某些形式的碳纖維高出10倍以上,，比鈦高出約5倍。

這是人工智能首次應(yīng)用于優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)材料,，令人震驚的是,，人工智能不只是從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中復(fù)制成功的幾何形狀，而是從形狀的變化中學(xué)習(xí),，從而能夠預(yù)測全新的晶格幾何形狀,。研究人員發(fā)現(xiàn)，將碳梁的直徑減小到300納米時(shí),，其強(qiáng)度顯著提高,，這是由于一種稱為“尺寸效應(yīng)”的現(xiàn)象，即材料在極小的尺度上表現(xiàn)不同（尺寸越小則強(qiáng)度越高）,。在納米尺度上,，碳原子以最大化強(qiáng)度的方式排列，碳梁的外層由94%的sp? -碳組成,，這種碳形式以出色的強(qiáng)度和剛度而聞名,。這種高純度碳?xì)づc梁的優(yōu)化幾何形狀相結(jié)合，使材料能夠承受巨大的力量而不會斷裂,。

研究人員推測,，這種材料的潛在影響可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出實(shí)驗(yàn)室范圍。更輕的部件可以減少燃料需求并降低排放,，由這種材料制成的超輕部件可能很快會為飛機(jī),、直升機(jī)和航天器提供動力。根據(jù)研究人員估算,，如果用這種材料替換現(xiàn)有飛機(jī)上由鈦制成的部件,，每替換一公斤鈦，每年就可以節(jié)省80升燃料,。