堅硬如鋼，輕如泡沫！機器學(xué)習(xí)和納米3D打印打造具有納米晶格的超強輕質(zhì)材料

2025年2月21日，南極熊獲悉，加拿大多倫多大學(xué)應(yīng)用科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員利用機器學(xué)習(xí)設(shè)計出納米結(jié)構(gòu)材料，這種新材料既具有碳鋼的強度，又具有泡沫塑料的輕盈特質(zhì)，在汽車、航空航天等多個行業(yè)有著巨大應(yīng)用前景。

△從左到右：Tobin Filleter 教授（MIE）和 Peter Serles（MIE MASc 1T9、MIE PhD 2T4）

相關(guān)研究成果以題為“Ultrahigh Specific Strength byBayesian Optimization of Carbon Nanolattices”的論文發(fā)表在在《先進材料》雜志中，由托賓·菲萊特(MIE)教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊撰寫，描述了他們?nèi)绾沃圃斐鼍哂袃?yōu)異強度、輕質(zhì)和可定制性等特性的納米材料。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202410651

論文的第一作者 Peter Serles表示：“納米結(jié)構(gòu)材料結(jié)合了高性能形狀，例如在納米級尺寸下由三角形組成橋梁，利用‘小即是強’的效應(yīng)，實現(xiàn)任何材料中最高的強度重量比和剛度重量比。然而，所使用的標準晶格形狀和幾何形狀往往具有尖銳的交叉點和拐角，這會導(dǎo)致應(yīng)力集中的問題。這會導(dǎo)致材料早期局部失效和斷裂，從而限制其整體潛力。當(dāng)我思考這個挑戰(zhàn)時，我意識到這是一個機器學(xué)習(xí)可以完美解決的問題。”

納米結(jié)構(gòu)材料由數(shù)百納米大小的微小結(jié)構(gòu)塊或重復(fù)單元組成——需要 100 多個納米結(jié)構(gòu)塊排成一排才能達到人類頭發(fā)的厚度。這些結(jié)構(gòu)塊（在本例中由碳組成）排列成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，稱為納米晶格。

△多目標貝葉斯優(yōu)化用于低密度下具有高壓縮剛度和強度的碳納米晶格的生成設(shè)計。a) 流程說明。b) 前四種 MBOCFCC 幾何形狀及其 2D 貝塞爾曲線。c,d) 等效密度的 CFCC MBO-3 和標準 CFCC 的 FESEM 圖像。

為了設(shè)計改進的材料， Serles 和Filleter 與韓國大田韓國科學(xué)技術(shù)院 (KAIST)的Seunghwa Ryu 教授和博士生 Jinwook Yeo 合作。此次合作由多倫多大學(xué)的國際博士生集群項目發(fā)起，該項目通過與國際合作者進行研究來支持博士生培訓(xùn)。

KAIST 團隊采用了多目標貝葉斯優(yōu)化機器學(xué)習(xí)算法。這種算法從模擬幾何形狀中學(xué)習(xí)，預(yù)測最佳幾何形狀，以增強應(yīng)力分布并提高納米結(jié)構(gòu)設(shè)計的強度重量比。

隨后，Serles使用位于流體技術(shù)研究與應(yīng)用中心 (CRAFT)的雙光子聚合 3D 打印機創(chuàng)建了用于實驗驗證的原型。這種增材制造技術(shù)可以實現(xiàn)微米和納米級的 3D 打印，從而創(chuàng)建優(yōu)化的碳納米晶格。

這些優(yōu)化的納米晶格的強度比現(xiàn)有設(shè)計提高了一倍以上，每立方米每公斤密度可承受 2.03 兆帕的壓力，約為鈦的五倍。

△從左到右：完整晶格幾何圖像與漂浮在氣泡上的 1875 萬個細胞晶格并列。從左到右：完整晶格幾何圖像與漂浮在氣泡上的 1875 萬個晶格并列。（照片由 Peter Serles 拍攝）

Serles 說道：“這是機器學(xué)習(xí)首次應(yīng)用于優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)材料，我們對這種改進感到震驚。它不只是從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中復(fù)制成功的幾何形狀；它從形狀的哪些變化有效、哪些無效中學(xué)習(xí)，從而使其能夠預(yù)測全新的晶格幾何形狀�！�

機器學(xué)習(xí)通常需要大量數(shù)據(jù)，而使用有限元分析的高質(zhì)量數(shù)據(jù)時很難生成大量數(shù)據(jù)。但多目標貝葉斯優(yōu)化算法只需要 400 個數(shù)據(jù)點，而其他算法可能需要 20,000 個或更多。因此，研究人員使用了規(guī)模小得多但質(zhì)量極高的數(shù)據(jù)集。

菲萊特說：“我們希望這些新材料設(shè)計最終能為航空航天應(yīng)用帶來超輕部件，例如飛機、直升機和航天器，它們可以在飛行過程中減少燃料需求，同時保持安全性和性能。這最終有助于減少飛行產(chǎn)生的高碳足跡�！�

Serles 補充道：“例如，如果你用這種材料替換飛機上由鈦制成的部件，那么每替換一公斤材料每年就可以節(jié)省 80 升燃料�！�

項目的其他貢獻者包括Yu Zou教授（MSE）、Chandra Veer Singh教授（MSE）、Jane Howe教授（MSE、ChemE）和Charles Jia教授（ChemE）， 以及來自德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）、麻省理工學(xué)院（MIT）和美國萊斯大學(xué)的國際合作者。  

現(xiàn)任加州理工學(xué)院 (Caltech) 施密特科學(xué)研究員的塞勒斯說：“這是一個多方面的項目，匯集了材料科學(xué)、機器學(xué)習(xí)、化學(xué)和力學(xué)等各種元素，以幫助我們了解如何改進和實施這項技術(shù)。”  

Filleter 補充道：“我們的下一步將致力于進一步擴大這些材料設(shè)計的規(guī)模，以實現(xiàn)具有成本效益的宏觀組件。此外，我們將繼續(xù)探索新的設(shè)計，使材料結(jié)構(gòu)的密度更低，同時保持高強度和高剛度�！�