Nieuwe AI-tool ontdekt realistische ‘metamaterialen’ met ongebruikelijke eigenschappen

Een coating die voorwerpen aan het zicht kan onttrekken of een implantaat dat zich precies als botweefsel gedraagt. Deze bijzondere items zijn al gemaakt van ‘metamaterialen’. Onderzoekers van de TU Delft hebben een hulpmiddel voor kunstmatige intelligentie ontwikkeld. Met deze tool is het mogelijk om dit soort bijzondere materialen te ontdekken, maar ook productief en duurzaam te ontwerpen. Dit biedt de mogelijkheid om producten met ongekende eigenschappen te vervaardigen. Ze publiceerden hun bevindingen in Advanced Materials.

Normale materiaaleigenschappen, zoals stijfheid en flexibiliteit, worden bepaald door de moleculaire samenstelling van het materiaal. Maar de eigenschappen van metamaterialen worden bepaald door de geometrie van de structuur waaruit ze zijn opgebouwd. Onderzoekers ontwerpen deze structuren digitaal en printen ze vervolgens in 3D. De resulterende metamaterialen kunnen extreme en onnatuurlijke eigenschappen vertonen. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld metamaterialen ontworpen die zich, ondanks dat ze vast zijn, als een vloeistof gedragen.

Ontwikkeling van materialen

“Traditioneel gebruiken ontwerpers de materialen die ze tot hun beschikking hebben om een ​​nieuw apparaat of machine te ontwerpen. Het probleem is dat de beschikbare materiaaleigenschappen beperkt zijn. Sommige eigenschappen die we graag zouden willen hebben, bestaan ​​simpelweg niet in de natuur. Onze aanpak is: vertel ons welke eigenschappen u wenst en wij ontwikkelen een geschikt materiaal met die eigenschappen. “Wat je dan krijgt is niet echt een materiaal, maar iets dat zich ergens tussen een structuur en een materiaal bevindt, een metamateriaal.” Dit zijn de woorden van professor Amir Zadpoor ​​van de afdeling Biomechanical Engineering.

omgekeerd ontwerp

Een dergelijk materiaalontdekkingsproces vereist het oplossen van het zogenaamde inverse probleem. Het probleem van het vinden van de geometrie die de gewenste eigenschappen oplevert. Deze omgekeerde problemen zijn notoir moeilijk en dat is waar AI een rol gaat spelen. Onderzoekers van de TU Delft ontwikkelden deep learning-modellen die deze inverse problemen oplossen.

Metamaterialen

“Zelfs als inverse problemen in het verleden werden opgelost, waren ze beperkt. Dit kwam door de vereenvoudigende aanname dat kleinschalige geometrie gemaakt kan worden uit een oneindig aantal bouwstenen. Het probleem met deze veronderstelling is dat metamaterialen doorgaans worden gemaakt met behulp van 3D-printen. En echte 3D-printers hebben een beperkte resolutie. Dit beperkt het aantal bouwstenen dat in een apparaat past, zegt eerste auteur Dr. Helda Pahlavani.

AI-modellen

De AI-modellen van de Delftse onderzoekers zijn baanbrekend door deze simplificerende aannames te omzeilen. “Nu kunnen we eenvoudigweg de vraag stellen: hoeveel bouwstenen kan uw productietechnologie in het apparaat verwerken? “Het model vindt dan de geometrie die de gewenste eigenschappen biedt voor het aantal bouwstenen dat daadwerkelijk vervaardigd kan worden.”

Benut je volledige potentieel

Een belangrijk praktisch vraagstuk dat in eerder onderzoek onderbelicht bleef, was de duurzaamheid van metamaterialen. De meeste bestaande ontwerpen gaan kapot na meerdere keren gebruiken. “Tot nu toe ging het alleen om de eigenschappen die behaald kunnen worden. Onze studio houdt rekening met duurzaamheid en selecteert uit een grote pool van designkandidaten de meest duurzame ontwerpen. Dit maakt onze ontwerpen tot echte praktische avonturen en niet alleen maar theoretische avonturen”, zegt Zadpoor.

Kansen

De mogelijkheden van metamaterialen lijken eindeloos. Maar er is nog een lange weg te gaan voordat het volledige potentieel ervan wordt gerealiseerd, zegt universitair hoofddocent Mohammad J. Mirzaali. Dit komt omdat het vinden van het optimale metamateriaalontwerp nog steeds sterk afhankelijk is van intuïtie. Dit is vallen en opstaan ​​en daardoor arbeidsintensief. Het gebruik van een omgekeerd ontwerpproces, waarbij de gewenste eigenschappen het uitgangspunt vormen van het ontwerp, is binnen het vakgebied van de metamaterialen nog ongebruikelijk. “Maar wij geloven dat de stap die we hebben gezet revolutionair is voor metamaterialen. “Het kan leiden tot allerlei nieuwe toepassingen.” Onderzoekers zien potentiële toepassingen in orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten, zachte robots, adaptieve spiegels en exoskeletten.

Bron en afbeelding: TU Delft

Lees ook: Kabinet presenteert visie op generatieve AI