AI設計全新奇蹟材料：輕如發泡材，堅若鋼鐵

一項嶄新的技術問世，此技術有望生產出可用於直升機、飛機及太空船的材料。科學家運用人工智慧（AI），成功設計出前所未見的奈米材料，兼具碳鋼的強度與保麗龍般的輕盈。

透過機器學習及3D列印技術製成的新型奈米材料，其強度比現有設計多出一倍不止。發表此新研究的科學家表示，這些材料可用於製造更堅固、更輕巧且更節省燃料的飛機及汽車零件。他們的研究成果於1月23日發表在《先進材料》期刊上。

共同作者、多倫多大學工程學教授託賓·菲利特在一份宣告中提到：「我們期望這些新材料設計，最終能應用於航空航天領域，打造出超輕量零件，像是飛機、直升機和太空船的零件。如此一來，在維持安全與效能的同時，還能降低飛行時的燃料需求，最終有助於減少航空業的高碳足跡。」

在許多材料中，強度和韌性往往難以兼顧。就以陶瓷餐盤為例，餐盤通常很堅固，能承受重物，但強度是以犧牲韌性為代價的——只需施加一點能量，它們就會破碎。

同樣的問題也存在於奈米結構材料中。這種材料由眾多微小且重複的構件組成，構件厚度僅是人類頭髮的一百分之一，這使得材料在相同重量下既強固又剛硬，但也可能導致應力集中，引發突然斷裂。到目前為止，這種易碎的特性限制了材料的應用範圍。

「當我思考這個挑戰時，意識到這正是機器學習可以解決的完美問題。」加州理工學院的工程研究員、論文第一作者彼得·塞爾斯在宣告中表示。

為了尋找更好的奈米材料設計方法，研究人員先模擬出各種可能的幾何形狀，再將其輸入機器學習演演算法。透過從生成的設計中學習，演演算法能預測出最理想的形狀，這些形狀既能均勻分散施加的應力，又能承受重物。

掌握這些形狀後，研究人員利用3D列印技術製造出新型奈米晶格。結果發現，每立方米每公斤的材料能承受2.03兆帕的應力——強度是鈦的五倍。

塞爾斯稱：「這是首次將機器學習用於最佳化奈米結構材料，其進步程度令我們震驚。它不僅複製訓練資料中的成功幾何形狀，還能從形狀的改變中汲取經驗，分辨哪些有效、哪些無效，進而預測出全新的晶格幾何形狀。」

研究人員表示，接下來的工作重點是擴大材料的規模，直至能用於製造更大的零件，同時繼續運用此方法尋找更優秀的設計。主要目標是為未來的交通工具設計出更輕且更堅固的零件。

塞爾斯還舉例說：「例如，若用這種材料替換飛機上的鈦合金零件，每替換一公斤材料，每年就能節省80公升燃料。」