Ισχυρό σαν ατσάλι, ελαφρύ σαν φελιζόλ: Ένα νέο υλικό δημιούργησε η τεχνητή νοημοσύνη

Ερευνητές της Σχολής Εφαρμοσμένων Επιστημών και Μηχανικής του Πανεπιστημίου του Τορόντο χρησιμοποίησαν την τεχνητή νοημοσύνη για να σχεδιάσουν νανοϋλικό που έχει την αντοχή του ανθρακούχου χάλυβα αλλά την ελαφρότητα του φελιζόλ.

Σε μια νέα εργασία που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Advanced Materials, η ομάδα ερευνητών περιγράφει πώς κατασκεύασε νανοϋλικά με ιδιότητες που προσφέρουν έναν συνδυασμό εξαιρετικής αντοχής, μικρού βάρους, και προσαρμοστικότητας. Τα ευρήματά της θα μπορούσαν να ωφελήσουν ένα ευρύ φάσμα βιομηχανιών, από την αυτοκινητοβιομηχανία έως την αεροδιαστημική.

Τα νανοϋλικά είναι κατασκευασμένα από μικροσκοπικά δομικά στοιχεία ή επαναλαμβανόμενες μονάδες μεγέθους μερικών εκατοντάδων νανομέτρων – θα χρειάζονταν περισσότερα από 100 από αυτά, τοποθετημένα σε μια σειρά, για να φτάσουν το πάχος μιας ανθρώπινης τρίχας. Αυτά τα δομικά στοιχεία, τα οποία στην προκειμένη περίπτωση αποτελούνται από άνθρακα, διατάσσονται σε πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές που ονομάζονται νανοπλέγματα.

Γιατί χρειάστηκε η μηχανική μάθηση

«Ωστόσο, τα τυποποιημένα σχήματα και οι γεωμετρίες νανοπλέγματος που χρησιμοποιούνται τείνουν να έχουν αιχμηρές διασταυρώσεις και γωνίες, γεγονός που οδηγεί στο πρόβλημα των συγκεντρώσεων τάσης και την πρόωρη θραύση των υλικών. Συνειδητοποίησα ότι αυτό είναι ένα πρόβλημα που θα μπορούσε να αντιμετωπίσει η μηχανική μάθηση», εξηγεί στην ιστοσελίδα του Πανεπιστημίου του Τορόντο ο καθηγητής Peter Serles, εκ των συγγραφέων της μελέτης.

Η ομάδα στράφηκε στην τεχνητή νοημοσύνη για να τη βοηθήσει να αναλύσει αμέτρητες πιθανές νανοδομές, μαθαίνοντας ποια σχέδια κατανέμουν καλύτερα την πίεση ενώ μεταφέρουν βαριά φορτία. Στη συνέχεια, χρησιμοποίησε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή πολυμερισμού δύο φωτονίων (2PP) που επιτρέπει την εκτύπωση σε μικρο- και νανοκλίμακα. Τα εξαιρετικά ελαφριά νανοπλέγματα που δημιούργησε αποδείχθηκαν δύο φορές ισχυρότερα από τα προηγούμενα γνωστά σχέδια και πέντε φορές ισχυρότερα από το τιτάνιο.

«Αν, για παράδειγμα, αντικαταστήσετε τα εξαρτήματα από τιτάνιο σε ένα αεροπλάνο με αυτό το υλικό, θα είχατε εξοικονόμηση καυσίμων 80 λίτρων ετησίως για κάθε κιλό υλικού που αντικαθιστάτε», σημειώνει ο Serles.

Η ομάδα ελπίζει ότι αυτά τα νέα υλικά θα οδηγήσουν τελικά σε εξαιρετικά ελαφριά εξαρτήματα για αεροδιαστημικές εφαρμογές, όπως αεροπλάνα, ελικόπτερα και διαστημόπλοια, που μπορούν να μειώσουν τις απαιτήσεις σε καύσιμα κατά τη διάρκεια της πτήσης, διατηρώντας παράλληλα την ασφάλεια και τις επιδόσεις.

«Ήταν ένα πολύπλευρο έργο που συγκέντρωσε διάφορα στοιχεία από την επιστήμη των υλικών, τη μηχανική μάθηση, τη χημεία και τη μηχανική για να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε πώς να βελτιώσουμε και να εφαρμόσουμε αυτή την τεχνολογία», καταλήγει ο Serles.

Τα επόμενα βήματα των ερευνητών θα επικεντρωθούν στην διερεύνηση νέων σχεδίων που ωθούν τις αρχιτεκτονικές των υλικών σε ακόμη χαμηλότερη πυκνότητα, διατηρώντας παράλληλα υψηλή αντοχή και ακαμψία.