Ľahký ako pierko, pevný ako oceľ: Umelá inteligencia vyvinula nový materiál

Nanomateriály vznikli použitím strojového učenia a 3D tlače, pričom, čo sa pevnosti týka, prekonali doterajšie návrhy viac než dvojnásobne. Výskumníci, ktorí sa na projekte podieľali, tvrdia, že ich objav môže viesť k výrobe ľahších a pevnejších súčiastok pre letecký a automobilový priemysel, čím by sa znížila spotreba paliva. Svoje zistenia publikovali 23. januára v časopise Advanced Materials.

„Veríme, že tieto nové materiály budú v budúcnosti súčasťou ultraľahkých komponentov v leteckej doprave – od lietadiel a vrtuľníkov až po kozmické lode. Nižšia hmotnosť by pomohla znížiť spotrebu paliva počas letu, pričom by sa zachovala bezpečnosť aj výkon,“ uviedol Tobin Filleter, profesor inžinierstva na Torontskej univerzite. Podľa neho by to mohlo prispieť k zníženiu uhlíkovej stopy leteckej dopravy.

Mnohé materiály musia vyvažovať pevnosť a húževnatosť. Napríklad keramický tanier unesie ťažký náklad, no je krehký a pri páde sa ľahko rozbije. Podobný problém majú aj nanoštruktúrované materiály – ich opakujúce sa mikroskopické vzory im síce dodávajú vysokú pevnosť, ale zároveň vytvárajú miesta, kde sa môže koncentrovať napätie, čo vedie k náhlym zlomeninám. Tento nedostatok doteraz bránil ich širšiemu využitiu.

Prvý autor štúdie Peter Serles, výskumník na Caltechu, pri hľadaní riešenia dospel k názoru, že práve strojové učenie by mohlo tento problém prekonať. Vedci najskôr simulovali rôzne geometrické štruktúry nanomateriálov a následne ich analyzovali pomocou algoritmov umelej inteligencie. Algoritmus na základe predchádzajúcich návrhov postupne identifikoval tvary, ktoré dokázali rovnomerne rozložiť zaťaženie a zároveň uniesť veľkú hmotnosť.

S týmito návrhmi v rukách výskumníci prešli k 3D tlači, pomocou ktorej vytvorili nové nanomriežky. Výsledky ukázali, že tieto materiály dokážu odolať tlaku 2,03 megapascalu na každý meter kubický pri hmotnosti jedného kilogramu, čo je päťnásobne vyššia pevnosť ako pri titáne.

„Toto je prvýkrát, čo sa strojové učenie použilo na optimalizáciu nanoštruktúrnych materiálov, a výsledky nás ohromili,“ povedal Serles. „Algoritmus sa neobmedzil len na kopírovanie úspešných návrhov z tréningových dát, ale dokázal sa učiť z toho, čo fungovalo, a čo nie. Vďaka tomu predpovedal úplne nové geometrie mriežok, ktoré predtým neboli známe.“

Vedci sa teraz sústredia na škálovanie týchto materiálov tak, aby ich bolo možné použiť na výrobu väčších komponentov. Zároveň chcú vylepšiť proces návrhu a objaviť ešte efektívnejšie štruktúry. Ich hlavným cieľom je v budúcnosti vytvárať ľahšie a pevnejšie súčiastky pre dopravu.

Serles uviedol príklad z letectva: „Ak by sa namiesto titánových komponentov v lietadlách použil tento materiál, dosiahli by sme úsporu paliva na úrovni 80 litrov ročne za každý kilogram nahradeného materiálu.“ Objav nových nanomateriálov tak môže otvoriť cestu k odolnejším a ľahším konštrukciám nielen v letectve, ale aj v automobilovom a kozmickom priemysle.