科学家用AI创造全新材料：既像钢一样坚固 又像泡沫一样轻

几十年来，工程师们一直在寻找既轻便又坚固的材料，如果一种材料减轻重量的同时又不牺牲耐用性的话，那么它会变得非常有用，特别是在航空航天行业，因为每减轻一克重量都可以节省大量燃料并提高性能。
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科学家用AI创造全新材料：既像钢一样坚固 又像泡沫一样轻

铝钛合金是航空航天的传统材料，它相对较轻同时强度又很高，但有其局限性；碳纤维的出现虽然改变了游戏规则，但也并非没有缺点，例如它并不耐磨，不可能像铝钛合金那样用于航空发动机。

为了开发和突破材料科学的极限，加拿大的一个研究团队转向了纳米结构材料——在纳米尺度上设计结构，以最大限度地提高材料强度和减轻重量。

他们从大自然中汲取灵感，模仿骨骼、贝壳甚至蜂巢中的结构。

但设计这些结构并非易事，挑战在于创建均匀分布应力的几何形状，且避免可能开始失效的薄弱点。

为了克服这些障碍，研究人员转向了贝叶斯优化，这是一种人工智能（AI）形式，擅长在无数选项中找到最佳设计。

科学家用AI创造全新材料：既像钢一样坚固 又像泡沫一样轻
△ 低密度下高抗压强度碳纳米晶格生成设计的多目标贝叶斯优化，图源：Advanced Materials

整个过程从算法生成数千种潜在设计开始。

每种设计都在虚拟环境中使用有限元分析进行测试（有限元分析是一种预测材料在压力下表现的计算方法），然后算法改进其设计，迭代设计出强度和刚度最大化、重量最小化的结构。

人工智能提供了一份优化设计的简短列表之后，该团队使用双光子聚合技术（这是一种可以创建纳米级精度结构的 3D 打印技术）物理创建了所提出的材料。

利用这种技术，他们制造出由厚度仅为300至600纳米的梁组成的晶格，这些晶格（6.3x6.3x3.8毫米）由 1875 万个单元组成。

最后进行热解，这一过程通过在富氮环境中将聚合物加热到900摄氏度将其转化为玻璃碳。