Tool voor kunstmatige intelligentie 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’, die extreme en onnatuurlijke eigenschappen bevatten. Onderzoekers van de TU Delft hebben een hulpmiddel voor kunstmatige intelligentie ontwikkeld dat dit soort bijzondere materialen niet alleen kan ontdekken, maar ze ook productief en duurzaam kan ontwerpen. Dit biedt de mogelijkheid om producten met ongekende eigenschappen te vervaardigen. Hun bevindingen zijn vandaag gepubliceerd. Geavanceerde materialenDat meldt de Technische Universiteit Delft in een persbericht.

Metamateriaal ontwerp

De eigenschappen van normale materialen, 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.

Amir Zadpoor, hoogleraar Biomaterialen en Tissue Biomechanics: “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.”

Van brandstof tot materialen: de subsidie ​​zet de deur open voor vervanging van Vertoro-olie

In een wereld die snakt naar duurzamere alternatieven voor olie, schrijft startup Vertoro een nieuw hoofdstuk.

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 produceert. Deze omgekeerde problemen zijn notoir moeilijk en dat is waar AI een rol gaat spelen. Onderzoekers van de TU Delft hebben deep learning-modellen ontwikkeld die deze omgekeerde problemen oplossen.

“Zelfs bij het oplossen van inverse problemen in het verleden werden ze beperkt 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 door middel van 3D-printen en dat daadwerkelijke 3D-printers een beperkte resolutie hebben, waardoor het aantal bouwstenen dat in een apparaat past beperkt is”, zegt eerste auteur Dr. Helda Pahlavani.

De AI-modellen die onderzoekers van de TU Delft hebben ontwikkeld 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.

De mogelijkheden van metamaterialen lijken eindeloos, maar hun volledige potentieel wordt nog lang niet benut, zegt universitair docent Mohammad J. Mirzaali. Dit komt omdat het vinden van het optimale ontwerp van een metamateriaal nog steeds grotendeels gebaseerd is op intuïtie, vallen en opstaan ​​met zich meebrengt en daarom veel werk vergt. Het gebruik van een omgekeerd ontwerpproces, waarbij de gewenste eigenschappen het uitgangspunt vormen voor het ontwerp, is binnen het vakgebied van de metamaterialen nog steeds 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.