Diagramma schematico di una rete neurale artificiale in grado di progettare strutture fotoniche arbitrarie. La sezione trasversale delle strutture è mappata come bitmap a sezione trasversale bidimensionale in modo che la rete neurale artificiale possa progettare strutture di antenne metasuperficiali che non possono essere progettate con parametri strutturali. Credito:POSTECH
I metamateriali sono materiali artificiali progettati per avere proprietà non presenti nei materiali naturali, e sono meglio conosciuti come materiali per mantelli dell'invisibilità spesso presenti in romanzi o giochi di fantascienza. Progettando con precisione atomi artificiali più piccoli della lunghezza d'onda della luce, e controllando la polarizzazione e lo spin della luce, i ricercatori ottengono nuove proprietà ottiche che non si trovano in natura. Però, il processo attuale richiede molte prove ed errori per trovare il materiale giusto. Tali sforzi richiedono tempo e sono inefficienti; l'intelligenza artificiale (AI) potrebbe fornire una soluzione a questo problema.
Il gruppo di ricerca del Prof. Junsuk Rho, Sunae So e Jungho Mun del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e del Dipartimento di Ingegneria Chimica di POSTECH hanno sviluppato un design con un grado di libertà più elevato che consente ai ricercatori di scegliere materiali e progettare strutture fotoniche arbitrariamente utilizzando il deep learning. I loro risultati sono pubblicati in diverse riviste tra cui Materiali applicati e interfacce, Nanofotonica, Microsistemi e nanoingegneria , Ottica Express , e Rapporti scientifici .
L'intelligenza artificiale può essere addestrata con una grande quantità di dati, e può apprendere i progetti di vari metamateriali e la correlazione tra le strutture fotoniche e le loro proprietà ottiche. Utilizzando questo processo di formazione, può fornire un metodo di progettazione che realizza una struttura fotonica con proprietà ottiche desiderate. Una volta addestrato, può fornire un design desiderato in modo rapido ed efficiente. Questo è già stato studiato in varie istituzioni negli Stati Uniti come MIT, Stanford University e Georgia Institute of Technology. Però, gli studi precedenti richiedono input di materiali e parametri strutturali in anticipo, e regolare successivamente le strutture fotoniche.
Schemi di una rete neurale artificiale in grado di progettare parametri strutturali e materiali contemporaneamente. Quando vengono immesse le proprietà ottiche desiderate (spettro dipolo elettrico/magnetico), ogni spessore e tipo di materiali della nanoparticella nucleo-guscio a tre strati sono forniti come output. Credito:POSTECH
Il prof. Rho e il suo gruppo hanno insegnato un sistema di intelligenza artificiale per progettare strutture fotoniche arbitrarie e hanno offerto un ulteriore livello di libertà di progettazione classificando i tipi di materiali e aggiungendoli come fattore di progettazione, che ha permesso di progettare materiali appropriati per proprietà ottiche rilevanti. L'analisi dei metamateriali ottenuti attraverso questo metodo di progettazione ha rivelato che avevano proprietà ottiche identiche previste dalla rete neurale artificiale.
Il gruppo di ricerca, che hanno pubblicato vari risultati di ricerca sulla progettazione di metamateriali e teoria dell'ottica, usava il linguaggio di programmazione Python. Il loro metodo di progettazione è rivoluzionario in molti modi. Prima di tutto, ha ridotto significativamente il tempo necessario per progettare strutture fotoniche. Consente vari progetti di nuovi metamateriali perché gli scienziati non si limitano più a condurre progetti empirici per ottenere risultati.
I metamateriali risultanti possono essere utilizzati in esposizione, sicurezza, e tecnologie militari. A questo proposito, l'introduzione dell'IA nel metodo di progettazione dovrebbe apportare importanti contributi allo sviluppo tecnologico dei metamateriali.
Il ricercatore capo, il prof. Junsuk Rho, ha affermato:"La nostra ricerca ha avuto successo nel portare un più alto grado di libertà al design, ma il nuovo sistema richiede ancora agli utenti di inserire alcune impostazioni del problema all'inizio. A volte produceva disegni insostenibili, e quindi ha reso impossibile produrre i metamateriali desiderati. Quindi vorrei fare un ulteriore passo avanti con le nostre scoperte sviluppando un metodo di progettazione completo di metamateriali utilizzando l'intelligenza artificiale. Anche, Mi piacerebbe realizzare metamateriali innovativi e pratici addestrando l'intelligenza artificiale con revisioni del design costruito in considerazione dei prodotti finali."
