AI 驅(qū)動(dòng)的革命性人工智能工具Deep-DRAM，為發(fā)現(xiàn)新型超材料打開了大門

2024年2月19日，南極熊獲悉，來自荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種名為“Deep-DRAM”的新型人工智能（AI）工具，能夠以無與倫比的簡(jiǎn)便性和可訪問性發(fā)現(xiàn)和制造新型超材料。這種突破性的方法有望通過簡(jiǎn)化具有“前所未有的功能”和“不尋常的特性”的耐用、定制設(shè)計(jì)材料的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造，徹底改變超材料的開發(fā)。超材料的設(shè)計(jì)目的是挑戰(zhàn)自然特性，在電信、聲學(xué)和航空航天技術(shù)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。

在《Advanced Materials》雜志上發(fā)表的一篇題為“Deep Learning for Size-Agnostic Inverse Design of Random-Network 3DPrinted Mechanical Metamaterials”論文中 ，研究人員詳細(xì)介紹了Deep-DRAM 的應(yīng)用如何超越理論進(jìn)步，通過廣泛的模擬和 3D 打印樣本展示現(xiàn)實(shí)世界的影響。

相關(guān)論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202303481

傳統(tǒng)的超材料設(shè)計(jì)在解決逆問題方面面臨挑戰(zhàn)，阻礙了實(shí)際應(yīng)用。 Deep-DRAM 通過采用深度學(xué)習(xí)模型和有限元模擬來解決這一障礙。其模塊化框架能夠根據(jù)特定需求創(chuàng)建耐用的超材料，這與之前容易失敗的設(shè)計(jì)不同。

△代表超材料的人工智能生成圖像。圖片來源：代爾夫特理工大學(xué)

Deep-DRAM的創(chuàng)新之處在于能夠生成抗疲勞和斷裂的微架構(gòu)，確保實(shí)際可用性。其模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，使其具有成本效益且適用于各個(gè)行業(yè)。

研究員阿米爾·扎德普爾（Amir Zadpoor）博士說：“傳統(tǒng)上，設(shè)計(jì)師使用可用的材料來設(shè)計(jì)新設(shè)備或機(jī)器。問題是可用材料屬性的范圍是有限的。我們希望擁有的一些特性在自然界中并不存在。我們的方法是：告訴我們您想要擁有什么特性，我們就會(huì)設(shè)計(jì)出具有這些特性的合適材料。然后你得到的并不是真正的材料，而是介于結(jié)構(gòu)和材料之間的東西，一種超材料�！�

除了實(shí)驗(yàn)室范圍之外，Deep-DRAM 還為醫(yī)療保健、航空航天等領(lǐng)域提供切實(shí)可行的解決方案。通過將人工智能與材料科學(xué)相結(jié)合，它為骨科植入物、軟機(jī)器人和自適應(yīng)鏡子開辟了道路。憑借 Deep-DRAM 的變革潛力，各行業(yè)可以利用以前未開發(fā)的優(yōu)勢(shì)，標(biāo)志著材料創(chuàng)新的重大飛躍。

超材料是經(jīng)過設(shè)計(jì)具有天然物質(zhì)所沒有的特性的材料。這些工程復(fù)合材料可以通過從結(jié)構(gòu)的幾何形狀而不是分子組成中獲得其獨(dú)特的特性來挑戰(zhàn)傳統(tǒng)的材料特性。

超材料目前應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，具有實(shí)際用途，例如提高電信中的天線性能以及控制聲波以降低聲學(xué)工程中的噪聲或聚焦。最近的進(jìn)展包括創(chuàng)造世界上第一個(gè)真正的“單向玻璃”，展示了超材料、多功能性和創(chuàng)新應(yīng)用的潛力。

2006年，《科學(xué)》雜志上發(fā)表的兩篇研究論文表明，超材料可用于操縱特定光頻率和電磁輻射的傳播和傳輸，使物體變得不可見。

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室、 美國海軍研究所和諾斯羅普 格魯曼公司最近發(fā)表的出版物討論了超材料的軍事潛力，提出了創(chuàng)建虛構(gòu)的“克林貢隱形裝置”或“哈利波特隱形斗篷”的現(xiàn)實(shí)版本的可能性。然而，盡管研究工作不斷進(jìn)行，實(shí)用的超材料隱形技術(shù)迄今為止尚未公開展示。

開發(fā)新型超材料的最重大挑戰(zhàn)源于解決所謂的“逆問題”或計(jì)算產(chǎn)生所需性能所需的特定幾何形狀。

論文主要作者 Helda Pahlavani 博士解釋道：“即使過去解決了逆問題，它們也受到簡(jiǎn)化假設(shè)的限制，即小規(guī)模幾何體可以由無限數(shù)量的構(gòu)建塊構(gòu)成。這種假設(shè)的問題在于，超材料通常是通過 3D 打印制造的，而真正的 3D 打印機(jī)的分辨率有限，這限制了適合給定設(shè)備的構(gòu)建塊的數(shù)量。”

Deep-DRAM 是一種人工智能驅(qū)動(dòng)的模塊化框架，結(jié)合了深度學(xué)習(xí)模型、生成模型和有限元模擬，可以正面應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。研究人員表示，Deep-DRAM 的突出之處在于從新的角度解決了逆向設(shè)計(jì)問題，能夠創(chuàng)建具有定制特性的材料，例如雙拉脹（拉伸時(shí)在兩個(gè)方向上膨脹的材料）和高剛度。

Pahlavani 博士強(qiáng)調(diào)了Deep-DRAM 能夠克服先前限制的重要性，并表示：“我們現(xiàn)在可以簡(jiǎn)單地問：您的制造技術(shù)允許您在設(shè)備中容納多少個(gè)構(gòu)建塊？然后，該模型會(huì)找到幾何形狀，為您提供實(shí)際可以制造的構(gòu)建塊數(shù)量所需的屬性�！�

扎德普爾博士描述了當(dāng)前開發(fā)超材料的過程：“到目前為止，這只是關(guān)于可以實(shí)現(xiàn)哪些特性。我們的研究考慮了耐用性，并從大量候選設(shè)計(jì)中選擇了最耐用的設(shè)計(jì)。這使得我們的設(shè)計(jì)真正實(shí)用，而不僅僅是理論上的冒險(xiǎn)。”

研究人員表示，Deep-DRAM 的顯著特點(diǎn)之一是其模塊化設(shè)計(jì)，允許集成各種計(jì)算模型，從而有效地解決復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題。這種模塊化方法加速了設(shè)計(jì)過程并最大限度地降低了計(jì)算成本，使其成為各種應(yīng)用的有吸引力的選擇。

創(chuàng)新的 Deep-DRAM 框架的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)室范圍，為現(xiàn)實(shí)世界的挑戰(zhàn)提供了切實(shí)的解決方案。由于能夠根據(jù)特定需求定制耐用的超材料，從醫(yī)療保健到航空航天等行業(yè)都可以從人工智能和材料科學(xué)最近的結(jié)合中受益匪淺。

該研究的通訊作者、助理教授 Mohammad J. Mirzaali 博士表示，超材料的潛力是無限的。然而，由于其最佳設(shè)計(jì)歷來依賴于直覺和反復(fù)試驗(yàn)，超材料的全部潛力從未真正發(fā)揮出來。

然而，研究人員認(rèn)為，人工智能驅(qū)動(dòng)的 Deep-DRAM 逆向設(shè)計(jì)過程可能會(huì)徹底改變超材料的開發(fā)，為骨科植入物、手術(shù)器械、軟機(jī)器人、自適應(yīng)鏡子和外骨骼等應(yīng)用開辟途徑。最后，米爾扎利博士表示：“我們認(rèn)為我們所采取的步驟在超材料領(lǐng)域是革命性的，它可能會(huì)帶來各種新的應(yīng)用�！�