هوش مصنوعی فراموادی با خواص غیرمعمول کشف کرد

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری آنا به نقل از فیزیک اوآرجی، پوششی که می‌تواند اشیا را از دید پنهان کند، یا ایمپلنتی که دقیقا مانند بافت استخوانی رفتار می‌کند - این اشیا خارق العاده در حال حاضر از «فراماده» ساخته شده اند. محققان «تی یو دلفت» (TU Delft) اکنون یک ابزار هوش مصنوعی توسعه داده‌اند که نه تنها می‌تواند چنین مواد فوق العاده‌ای را کشف کند بلکه آن‌ها را آماده ساخت و بادوام می‌کند. این امر ایجاد دستگاه‌هایی با قابلیت‌های بی سابقه را ممکن می‌سازد. آن‌ها یافته‌های خود را در نشریه «مواد پیشرفته» (Advanced Materials) منتشر کرده‌اند.

خواص مواد معمولی، مانند سختی و انعطاف پذیری، با ترکیب مولکولی ماده تعیین می‌شود، اما خواص فرامواد با هندسه ساختاری که از آن ساخته می‌شوند، تعیین می‌شود. محققان این ساختار‌ها را به صورت دیجیتالی طراحی کرده و سپس آن را به صورت سه بعدی چاپ می‌کنند. فرامواد حاصل می‌توانند خواص غیرطبیعی و افراطی از خود نشان دهند. برای مثال محققان فراموادی را طراحی کرده اند که علی رغم جامد بودن، مانند یک مایع رفتار می‌کنند.

پروفسور امیر زادپور از دانشکده مهندسی بیومکانیک می‌گوید: به طور سنتی، طراحان از مواد موجود برای طراحی یک دستگاه یا ماشین جدید استفاده می‌کنند. مشکل این است که دامنه خواص مواد در دسترس محدود است. برخی از ویژگی‌هایی که دوست داریم داشته باشیم در طبیعت وجود ندارند. رویکرد ما این است: به ما بگویید که می‌خواهید چه چیزی به عنوان خواص داشته باشید و ما یک ماده مناسب با آن خواص را مهندسی می‌کنیم. چیزی که در این صورت به دست می‌آورید در واقع یک ماده نیست، بلکه چیزی بین ساختار و ماده است که فراماده نامیده می‌شود.

چنین فرآیند کشف ماده‌ای نیازمند حل یک «مساله معکوس» است: مساله یافتن هندسه‌ای که باعث ایجاد خواص مورد نظر شما می‌شود. حل مسائل معکوس بسیار دشوار است، جایی که هوش مصنوعی بسیار پر قدرت ظاهر می‌شود. محققان «تی یو دلفت» مدل‌های یادگیری عمیقی را توسعه داده اند که این مشکلات معکوس را حل می‌کنند.

هلدا پهلوانی، نویسنده اول این مطالعه می‌گوید: حتی زمانی که مسائل معکوس در گذشته حل می‌شد، با این فرض ساده که هندسه در مقیاس کوچک می‌تواند از تعداد نامحدودی از بلوک‌های ساختمانی ساخته شود، محدود شده اند. مشکل این فرض این است که فرامواد معمولا توسط چاپ سه بعدی ساخته می‌شوند و چاپگر‌های سه بعدی واقعی وضوح محدودی دارند که تعداد بلوک‌های ساختمانی که در یک دستگاه مشخص جای می‌گیرند را محدود می‌کند.

مدل‌های هوش مصنوعی توسعه یافته توسط محققان «تی یو دلفت» با دور زدن چنین فرضیات ساده‌ای، زمینه جدیدی را ایجاد می‌کنند؛ بنابراین اکنون می‌توانیم به سادگی بپرسیم: تکنیک ساخت به شما اجازه می‌دهد چند بلوک ساختمانی را در دستگاه خود جای دهید؟ سپس مدل هندسه‌ای را پیدا می‌کند که ویژگی‌های مورد نظر شما را برای تعداد بلوک‌های ساختمانی که واقعاً می‌توانید بسازید به شما می‌دهد.

یک مشکل عملی عمده که در تحقیقات قبلی نادیده گرفته شد، دوام فرامواد بود. اغلب طرح‌های موجود پس از چند بار استفاده از بین می‌روند. به این دلیل که رویکرد‌های طراحی فرامواد موجود دوام را در نظر نمی‌گیرند.

زادپور می‌گوید: تاکنون فقط به این موضوع پرداخته‌ایم که چه ویژگی‌هایی را می‌توان به دست آورد. مطالعه ما دوام را در نظر می‌گیرد و بادوام‌ترین طرح‌ها را از میان انبوهی از داوطلبان طراحی انتخاب می‌کند. این باعث می‌شود که طرح‌های ما واقعا کاربردی باشند و فقط ماجراجویی‌های تئوری نباشد.

به گفته پروفسور محمد جی. میرزاعلی نویسنده این نشریه، امکانات فرامواد بی پایان به نظر می‌رسند، اما پتانسیل کامل آن هنوز محقق نشده است. این به این دلیل است که یافتن طراحی بهینه یک فراماده در حال حاضر هنوز تا حد زیادی بر اساس شهود است، شامل آزمون و خطا است، و بنابراین، کار فشرده است. استفاده از فرآیند طراحی معکوس، که در آن خواص مورد نظر نقطه شروع طراحی هستند، هنوز در زمینه فرامواد بسیار نادر است.

اما ما فکر می‌کنیم گامی که برداشته‌ایم انقلابی در زمینه فرامواد است. این می‌تواند به انواع کاربرد‌های جدید منجر شود. کاربرد‌های احتمالی در ایمپلنت‌های ارتوپدی، ابزار‌های جراحی، ربات‌های نرم و لباس‌های خارجی وجود دارد.