Họ khai thác sức mạnh của trí tuệ nhân tạo (AI) và máy in 3D có độ chính xác cao để tinh chỉnh hình dạng của nó, hướng đến độ bền tối đa mà không làm tăng trọng lượng vật liệu. Giáo sư Tobin Filleter từ Đại học Toronto, Canada với nhiều năm kinh nghiệm về hành vi cơ học của vật liệu là người đứng đầu chương trình này.
Tìm kiếm hình dạng phù hợp
Các nhà nghiên cứu bắt đầu bằng cách thử nghiệm những hình dạng có thể qua mô phỏng máy tính và cố gắng phân bổ đều ứng suất được áp dụng. Điều này có nghĩa là giảm các điểm yếu, thường gây ra sự sụp đổ đột ngột trong các cấu trúc nhẹ thông thường.
Nhà nghiên cứu kỹ thuật Peter Serles tại Viện Công nghệ California (Caltech) cho biết, nó không chỉ sao chép các hình dạng từ dữ liệu được đào tạo, mà còn học được từ những thay đổi từ hình dạng có hiệu quả và không hiệu quả, cho phép nó dự đoán hình dạng mạng hoàn toàn mới. Giai đoạn lập kế hoạch cung cấp một thuật toán máy học để tìm hiểu cách mỗi hình dạng chịu được áp lực. Tuy nhiên, nó không chỉ lặp lại những ý tưởng cũ.
Sử dụng AI để thiết kế vật liệu tốt hơn
Các vật liệu truyền thống thường đòi hỏi phải thỏa hiệp giữa độ bền và độ dẻo dai. Nhiều chất giống gốm có thể chịu được tải trọng lớn nhưng dễ vỡ. Nhóm nghiên cứu muốn có thứ gì đó cân bằng cả hai.
Họ dựa vào các thiết kế kiến trúc nano để đạt được điểm cân bằng đó. Bằng cách kết hợp mẫu được thiết kế cẩn thận ở mức vi mô, các cấu trúc này có thể đạt được khả năng chịu tải cao hơn so với các vật liệu khối có cùng mật độ.
Tận dụng công nghệ in 3D
Sau khi thuật toán gợi ý các hình dạng tốt nhất, nhóm nghiên cứu đã sử dụng máy in 3D chuyên dụng hoạt động với polymer ở quy mô cực kỳ mịn. Tiếp theo, họ nung các mạng in này để lại carbon. Kết quả là một mạng nano chịu được áp lực cao mà không bị vỡ vụn.
Máy móc tiên tiến cho phép in các đặc điểm tinh tế, mở ra cánh cửa cho các hình dạng phức tạp hơn. Điều đó có nghĩa là các nhà khoa học hiện có thể tạo ra các hình dạng mà trước đây họ chỉ tưởng tượng.
“Chúng tôi hy vọng những thiết kế vật liệu mới này cuối cùng sẽ dẫn đến các thành phần siêu nhẹ trong các ứng dụng hàng không vũ trụ, như máy bay, trực thăng và tàu vũ trụ, có thể giảm nhu cầu nhiên liệu trong khi vẫn duy trì sự an toàn và hiệu suất”, Giáo sư Filleter cho biết và thông tin, nếu một tàu vũ trụ cần ít nhiên liệu hơn, lượng khí thải và chi phí vận hành sẽ giảm.
Nhóm nghiên cứu ước tính, nếu thay thế các bộ phận bằng titan trên máy bay bằng vật liệu mới, có thể tiết kiệm khoảng 80 lít nhiên liệu mỗi năm cho mỗi kg vật liệu thay thế, góp phần giảm đáng kể lượng khí thải carbon từ ngành hàng không.
Mở rộng ra ngoài ngành hàng không vũ trụ
Mặc dù, các ứng dụng rõ ràng nhất là trong ngành hàng không và du hành vũ trụ, nhưng các ngành công nghiệp khác cũng có thể hưởng lợi từ những vật liệu siêu nhẹ, siêu bền này.
Ví dụ, ngành ô tô liên tục tìm cách cải thiện hiệu suất nhiên liệu và phạm vi hoạt động của pin trong xe điện. Khung gầm và các thành phần cấu trúc nhẹ hơn có thể tạo ra tác động có ý nghĩa đến hiệu suất.
Công nghệ y tế là một lĩnh vực đầy hứa hẹn khác. Các nhà nghiên cứu đang khám phá cách các vật liệu này có thể dẫn đến việc làm các bộ phận giả, cấy ghép và thiết bị y tế mạnh hơn nhưng nhẹ hơn. Giảm trọng lượng vật liệu trong khi vẫn duy trì độ bền có thể giúp thiết bị y tế đeo được thoải mái và hiệu quả hơn.
Thách thức tiếp theo là sản xuất các bộ phận lớn hơn mà không làm mất đi những lợi ích đã thấy trong phòng thí nghiệm. Tìm ra cách sản xuất khối lượng lớn hơn của cấu trúc dựa trên carbon này với chi phí hợp lý là một trong những mục tiêu hàng đầu. Các kỹ sư cũng có kế hoạch thử nghiệm các biến thể duy trì độ cứng trong khi giảm thêm trọng lượng.
Mỗi thiết kế mới là một cơ hội khác để thuật toán tinh chỉnh các kỹ năng dự đoán của mình, có khả năng nâng cao hơn nữa giới hạn sức mạnh.
Những hiểu biết mới này là một phần của nỗ lực đang diễn ra giúp chúng ta suy nghĩ lại về cách vật liệu hoạt động. Giảm trọng lượng là mục tiêu chính của nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất ô tô đến xây dựng tua-bin gió và công trình này cung cấp một công cụ mạnh mẽ để đáp ứng những nhu cầu đó.
Việc đưa AI vào thế giới vật liệu cho thấy rằng ranh giới cũ đôi khi có thể bị đẩy sang một bên. Khi được mở rộng, những cấu trúc thế hệ tiếp theo này có thể xuất hiện ở những nơi không ngờ tới, mang lại sự an toàn mà không phải chịu gánh nặng về trọng lượng thông thường.
