美國陸軍AI驅(qū)動的3D打印機(jī)器人創(chuàng)造出人類無法做到的減震結(jié)構(gòu)

南極熊導(dǎo)讀：在美國陸軍的一個項目中，利用機(jī)器學(xué)習(xí)功能，自主機(jī)器人能夠設(shè)計出比人類更優(yōu)秀的減震結(jié)構(gòu)，從而在提供保護(hù)方面表現(xiàn)更出色

△該研究已經(jīng)發(fā)表在《自然通訊雜志》，題目為“通過自動駕駛實驗室與人類的合作，發(fā)現(xiàn)了極高的機(jī)械能量吸收效率”（傳送門）

2024年5月23日，南極熊獲悉，美國波士頓大學(xué)的研究人員已經(jīng)使3D打印機(jī)器人能夠利用人工智能(AI)來進(jìn)一步推進(jìn)先進(jìn)材料的創(chuàng)造過程。據(jù)研究人員稱，這一突破對于設(shè)計更安全的頭盔、包裝、汽車保險杠等具有巨大的潛力。

△波士頓大學(xué)實驗室的機(jī)械臂將色彩繽紛的微小圓柱形物體放入盒子中，自主進(jìn)行實驗以找到最有效的能量吸收形狀

工程自主創(chuàng)新

波士頓大學(xué)工程學(xué)院下屬的KABlab團(tuán)隊正在研究各種長度尺度的方法，以解決傳統(tǒng)試錯法無法應(yīng)對的大量可能性問題。他們采用了兩種新技術(shù)：第一，利用掃描探針開發(fā)創(chuàng)新的納米組合方法來研究和設(shè)計小尺度材料；第二，開發(fā)自主研究系統(tǒng)，將自動化與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，以加速知識生成。

△示意圖顯示了一個自主研究系統(tǒng)，其中五臺3D打印機(jī)用于制造聚合物結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會自動稱重、成像并使用準(zhǔn)靜態(tài)壓縮進(jìn)行測試。此測試的輸出會被自動解釋并用于選擇后續(xù)要測試的設(shè)計

這個名為MAMA BEAR（增材制造結(jié)構(gòu)力學(xué)貝葉斯實驗自主研究者）的機(jī)器人從2018年開始構(gòu)思，經(jīng)歷了多次改裝。到2021年，實驗室已對機(jī)器人進(jìn)行了編程，以創(chuàng)造出一種具有最高機(jī)械能吸收效率的形狀，這成為衡量機(jī)器人能吸收多少能量的標(biāo)準(zhǔn)。它利用機(jī)器學(xué)習(xí)的最新發(fā)展，提供了從海量數(shù)據(jù)集中獲取新見解的新工具，并能更高效地獲取較小的數(shù)據(jù)集。

研究人員稱，在過去三年里，這臺機(jī)器一直在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，生產(chǎn)了超過2.5萬個3D打印結(jié)構(gòu)，裝滿了幾十個箱子。

由于能夠有效吸收能量的材料應(yīng)用廣泛，例如在運(yùn)輸過程中為精密電子產(chǎn)品提供緩沖，或為運(yùn)動員提供護(hù)膝和護(hù)腕等防護(hù)裝備，因此創(chuàng)造出多種形狀是必不可少的。

波士頓大學(xué)機(jī)械工程副教授Keith Brown在一份聲明中指出：“例如，你可以利用這個數(shù)據(jù)圖書館制造出更好的汽車保險杠或包裝設(shè)備。”

△利用3D打印和人工智能技術(shù)開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)

提升高性能結(jié)構(gòu)的開發(fā)效率

為了達(dá)到最佳性能，結(jié)構(gòu)必須達(dá)到完美的平衡：它們不能太堅固，以免造成破壞，但又必須足夠堅固，以吸收沖擊力。

在MAMA BEAR之前，觀察到的最高效率約為71%。然而，Brown團(tuán)隊見證了他們的機(jī)器人達(dá)到了破紀(jì)錄的75%的效率。

破紀(jì)錄的結(jié)構(gòu)外觀令研究人員感到驚訝。它比之前的設(shè)計更高、更薄，四個點就像薄薄的花瓣。Brown說：“我們很高興這里有如此多的機(jī)械數(shù)據(jù)，我們正在利用這些數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)更廣泛的設(shè)計經(jīng)驗�！�

該團(tuán)隊還與美國陸軍合作，將大量數(shù)據(jù)應(yīng)用于為士兵設(shè)計新的頭盔襯墊。通過實地測試，他們確保了正在申請專利的襯墊在提供撞擊保護(hù)方面的舒適性和有效性。

與破紀(jì)錄的結(jié)構(gòu)不同，3D襯墊的中心更柔軟，身材更短小，從而提高了舒適度。

△從機(jī)械數(shù)據(jù)集中得出的設(shè)計見解

KABlab實驗室旨在強(qiáng)調(diào)自主研究的意義。Brown打算繼續(xù)開展跨學(xué)科合作，為需要測試大量結(jié)構(gòu)和解決方案的科學(xué)家提供幫助。

盡管已經(jīng)創(chuàng)下了紀(jì)錄，但Brown強(qiáng)調(diào)，“我們沒有能力知道是否已經(jīng)達(dá)到了最高效率”，并暗示了再次超越的可能性。

在Brown和他的團(tuán)隊探索數(shù)據(jù)庫其它應(yīng)用的同時，MAMA BEAR還將繼續(xù)運(yùn)行，不斷突破極限。他們還在研究如何回收這2.5萬塊粉碎的碎片，并將其展開并重新裝入3D打印機(jī)，用于進(jìn)一步的實驗。

Brown說：“我們將繼續(xù)研究這個系統(tǒng)，因為機(jī)械效率和許多其它材料特性一樣，只有通過實驗才能準(zhǔn)確測量。使用自動駕駛實驗室可以幫助我們挑選最好的實驗，并盡可能快地完成它們。”