Naučnici su uz pomoć veštačke inteligencije i 3D štampe kreirali ultralake, a izuzetno čvrste nano-rešetke, otvarajući put ka efikasnijim i ekološki prihvatljivijim vozilima, od automobila do aviona
Grupa naučnika uspela je da, zahvaljujući veštačkoj inteligenciji (AI) i 3D štampi, osmisli do sada neviđene nanomaterijale koji kombinuju čvrstinu nalik karbonskom čeliku sa težinom stiropora. U poređenju sa dosadašnjim rešenjima, ovi potpuno novi „nano-lattice“ materijali više nego udvostručuju čvrstinu, što otvara mogućnosti za njihovu primenu u transportnoj industriji – od aviona i helikoptera, do automobila.
„Nadamo se da će ovi materijali u budućnosti dovesti do ultralakih komponenti u vazduhoplovnim aplikacijama, poput aviona, helikoptera i svemirskih letelica, koje mogu smanjiti potrošnju goriva tokom leta uz zadržavanje bezbednosti i performansi“, izjavio je Tobin Filleter, profesor inženjerstva na Univerzitetu u Torontu i jedan od koautora studije. „Na taj način doprinosimo i smanjenju ogromnog ugljeničnog otiska letenja.“
Povezivanje čvrstoće i žilavosti
Jedan od glavnih izazova u razvoju novih materijala jeste što velika čvrstoća često znači nisku fleksibilnost. Na primer, keramičke ploče mogu nositi značajan teret, ali se lako lome čim se na njih primeni nešto veća sila. Sličan problem javlja se kod tzv. nanoarhitektura – materijala koji se grade od velikog broja sićušnih, ponavljajućih jedinica (tankih samo stoti deo debljine ljudske dlake).
Iako su takvi nano-materijali izuzetno čvrsti u odnosu na sopstvenu masu, skloni su naglom lomu zbog koncentracije naprezanja u strukturi. Upravo ta potencijalna „lomljivost“ ograničavala je njihovu upotrebu u zahtevnijim inženjerskim projektima.
„Dok sam razmišljao o ovom izazovu, shvatio sam da je idealan za primenu mašinskog učenja“, istakao je inženjerski istraživač Piter Serls sa Kalifornijskog instituta za tehnologiju (Caltech), glavni autor studije.
Algoritmi koji predviđaju najbolji dizajn
Kako bi pronašli bolje načine za konstruisanje nanomaterijala, istraživači su najpre simulirali različite geometrijske oblike i strukture, a zatim rezultate prebacili u algoritam mašinskog učenja. Sistem je „učio“ na osnovu ranijih primera, tražeći one obrasce koji najravnomernije raspoređuju opterećenje i istovremeno mogu da podnesu velika naprezanja.
Nakon što su došli do optimalnih oblika, naučnici su pomoću 3D štampe stvorili nove nano-lattice strukture i ustanovili da mogu da izdrže pritisak od 2,03 megapaskala po kubnom metru po kilogramu – što je otprilike pet puta više od snage titanijuma.
„Prvi put je mašinsko učenje korišćeno za optimizaciju nanoarhitekturalnih materijala, a rezultati su nas iznenadili. Algoritam nije samo ponovio već postojeće uspešne geometrije iz baze podataka, već je sam kreirao potpuno nove oblike“, rekao je Serls. „Naučio je šta funkcioniše, a šta ne, i na osnovu toga predvideo sasvim nove koncepte rešetkaste strukture.“
Lakše komponente u automobilima i avionima
Sledeći korak naučnika biće skaliranje proizvodnog procesa kako bi se ovi materijali koristili za veće komponente, kao i dalja pretraga novih oblika uz pomoć razvijene metode. Najveći potencijal vidi se u lakšim i čvršćim delovima vozila koji bi smanjili potrošnju goriva.
„Na primer, ako biste zamenili komponente od titanijuma u avionu ovim materijalom, mogli biste uštedeti oko 80 litara goriva godišnje za svaki kilogram zamenjenog materijala“, istakao je Serls.
Osim očiglednih koristi za vazdušni saobraćaj i smanjenje emisije ugljen-dioksida, istraživači smatraju da bi unapređeni nano-materijali mogli da se primene i u automobilima budućnosti, čime bi se znatno produžio domet električnih vozila ili smanjila potrošnja klasičnih motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Ukoliko se ova tehnologija uspešno integriše u serijsku proizvodnju, otvorile bi se brojne mogućnosti za efikasnije i ekološki prihvatljivije transportne sisteme, piše Live Science.
Benchmark.rs
