Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Nieuwe AI-tool ontdekt realistische metamaterialen met ongebruikelijke eigenschappen

Een schematische illustratie en elastische eigenschappen van de RN-eenheidscellen, evenals de netwerkarchitectuur van het elastische eigenschappenmodel van de eenheidscel. Credit:Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202303481

Een coating die objecten in het zicht kan verbergen, of een implantaat dat zich precies als botweefsel gedraagt:deze bijzondere objecten zijn al gemaakt van 'metamaterialen'. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een AI-tool ontwikkeld die zulke bijzondere materialen niet alleen kan ontdekken, maar ze ook fabricageklaar en duurzaam maakt. Hierdoor is het mogelijk om apparaten te creëren met ongekende functionaliteiten. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in Advanced Materials .



De eigenschappen van normale materialen, zoals stijfheid en flexibiliteit, worden bepaald door de moleculaire samenstelling van het materiaal, maar de eigenschappen van metamaterialen worden bepaald door de geometrie van de structuur waaruit ze zijn opgebouwd. Onderzoekers ontwerpen deze structuren digitaal en laten deze vervolgens 3D-printen. De resulterende metamaterialen kunnen onnatuurlijke en extreme eigenschappen vertonen. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld metamaterialen ontworpen die, ondanks dat ze vast zijn, zich als een vloeistof gedragen.

“Traditioneel gebruiken ontwerpers de materialen die ze tot hun beschikking hebben om een ​​nieuw apparaat of een nieuwe machine te ontwerpen. Het probleem daarmee is dat het scala aan beschikbare materiaaleigenschappen beperkt is. Sommige eigenschappen die we graag zouden willen hebben, bestaan ​​gewoon niet in de natuur. Onze aanpak is:vertel ons wat je als eigenschappen wilt hebben en wij engineeren een geschikt materiaal met die eigenschappen. Wat je dan krijgt is niet echt een materiaal, maar iets tussen een structuur en een materiaal in, een metamateriaal”, zegt professor. Amir Zadpoor ​​van de afdeling Biomechanical Engineering.

Nieuwe AI-tool ontdekt realistische 'metamaterialen' met ongebruikelijke eigenschappen. Credit:TU Delft

Omgekeerd ontwerp

Een dergelijk materiaalontdekkingsproces vereist het oplossen van een zogenaamd ‘invers probleem’:het probleem van het vinden van de geometrie die aanleiding geeft tot de gewenste eigenschappen. Inverse problemen zijn notoir moeilijk op te lossen, en dat is waar AI in beeld komt. Onderzoekers van de TU Delft hebben deep-learning modellen ontwikkeld die deze omgekeerde problemen oplossen.

“Zelfs wanneer inverse problemen in het verleden werden opgelost, werden ze beperkt door de vereenvoudigende aanname dat de kleinschalige geometrie kan worden gemaakt uit een oneindig aantal bouwstenen. Het probleem met die aanname is dat metamaterialen meestal worden gemaakt door middel van 3D-printen. en echte 3D-printers hebben een beperkte resolutie, waardoor het aantal bouwstenen dat in een bepaald apparaat past beperkt wordt", zegt eerste auteur Dr. Helda Pahlavani.

De AI-modellen die door onderzoekers van de TU Delft zijn ontwikkeld, zijn baanbrekend door dergelijke vereenvoudigende aannames te omzeilen. "We kunnen nu dus eenvoudigweg vragen:hoeveel bouwstenen kun je met je productietechniek in je apparaat verwerken? Het model vindt vervolgens de geometrie die je de gewenste eigenschappen geeft voor het aantal bouwstenen dat je daadwerkelijk kunt maken."

Het volledige potentieel ontsluiten

Een groot praktisch probleem dat in eerder onderzoek is verwaarloosd, is de duurzaamheid van metamaterialen. De meeste bestaande ontwerpen gaan kapot zodra ze een paar keer gebruikt zijn. Dat komt omdat bestaande benaderingen voor het ontwerpen van metamaterialen geen rekening houden met duurzaamheid.

"Tot nu toe ging het alleen om welke eigenschappen kunnen worden bereikt. Ons onderzoek houdt rekening met duurzaamheid en selecteert de meest duurzame ontwerpen uit een grote groep ontwerpkandidaten. Dit maakt onze ontwerpen echt praktisch en niet alleen maar theoretische avonturen", zegt Zadpoor.

De mogelijkheden van metamaterialen lijken eindeloos, maar het volledige potentieel wordt nog lang niet gerealiseerd, zegt assistent-professor Mohammad J. Mirzaali, corresponderend auteur van de publicatie. Dit komt omdat het vinden van het optimale ontwerp van een metamateriaal momenteel nog grotendeels gebaseerd is op intuïtie, vallen en opstaan ​​met zich meebrengt en daardoor arbeidsintensief is. Het gebruik van een omgekeerd ontwerpproces, waarbij de gewenste eigenschappen het uitgangspunt zijn van het ontwerp, is nog steeds zeer zeldzaam binnen het vakgebied van metamaterialen.

“Maar wij denken dat de stap die we hebben gezet revolutionair is op het gebied van metamaterialen. Het zou tot allerlei nieuwe toepassingen kunnen leiden.” Er zijn mogelijke toepassingen in orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten, zachte robots, adaptieve spiegels en exopakken.

Meer informatie: Helda Pahlavani et al., Diep leren voor grootte-agnostisch omgekeerd ontwerp van 3D-geprinte mechanische metamaterialen van willekeurige netwerken, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202303481

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Aangeboden door de Technische Universiteit Delft




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. De beste manieren om bacteriën te kweken op agar
  2. Hoe reageert het excretiesysteem op fysieke activiteit?
  3. Wat is het verschil tussen NADH en NADPH?
  4. Hoe hersenspoeling werkt
  5. Algen kunnen planeet voeden en voeden met behulp van nieuwe hightech tool
  6. Mysteriegen rijpt het skelet van de cel
  7. Nieuwe eDNA-methode opent deuren voor milieuonderzoek
  8. Droogte geen dingo's achter het uitsterven van tijgers op het vasteland van Australië:studie
  9. Technologie verhoogt melkgift met 9 procent

Wetenschap