Un rivestimento in grado di nascondere oggetti in bella vista o un impianto che si comporta esattamente come il tessuto osseo:questi oggetti straordinari sono già realizzati con "metamateriali". I ricercatori della TU Delft hanno ora sviluppato uno strumento di intelligenza artificiale che non solo può scoprire materiali così straordinari, ma li rende anche pronti per la fabbricazione e durevoli. Ciò rende possibile la creazione di dispositivi con funzionalità senza precedenti. Hanno pubblicato i loro risultati in Materiali avanzati .
Le proprietà dei materiali normali, come rigidità e flessibilità, sono determinate dalla composizione molecolare del materiale, ma le proprietà dei metamateriali sono determinate dalla geometria della struttura da cui sono costruiti. I ricercatori progettano queste strutture digitalmente e poi le stampano in 3D. I metamateriali risultanti possono presentare proprietà innaturali ed estreme. I ricercatori, ad esempio, hanno progettato metamateriali che, nonostante siano solidi, si comportano come un fluido.
"Tradizionalmente, i progettisti utilizzano i materiali a loro disposizione per progettare un nuovo dispositivo o una macchina. Il problema è che la gamma di proprietà dei materiali disponibili è limitata. Alcune proprietà che vorremmo avere semplicemente non esistono in natura. Il nostro approccio è:dicci quali proprietà desideri avere e noi progettiamo un materiale appropriato con tali proprietà. Ciò che otterrai non è realmente un materiale ma qualcosa a metà tra una struttura e un materiale, un metamateriale", afferma il professore Amir Zadpoor del Dipartimento di Ingegneria Biomeccanica.
Design inverso
Un simile processo di scoperta dei materiali richiede la risoluzione del cosiddetto "problema inverso":il problema di trovare la geometria che dà origine alle proprietà desiderate. I problemi inversi sono notoriamente difficili da risolvere, ed è qui che entra in gioco l’intelligenza artificiale. I ricercatori della TU Delft hanno sviluppato modelli di deep learning che risolvono questi problemi inversi.
"Anche quando in passato sono stati risolti problemi inversi, questi sono stati limitati dal presupposto semplificatore che la geometria su piccola scala può essere realizzata da un numero infinito di elementi costitutivi. Il problema con questo presupposto è che i metamateriali sono solitamente realizzati mediante stampa 3D e le vere stampanti 3D hanno una risoluzione limitata, che limita il numero di elementi costitutivi che possono essere inseriti in un determinato dispositivo", afferma la prima autrice, la Dott.ssa Helda Pahlavani.
I modelli di intelligenza artificiale sviluppati dai ricercatori della TU Delft aprono nuove strade aggirando tali ipotesi semplificatrici. "Quindi ora possiamo semplicemente chiederci:quanti elementi costitutivi la vostra tecnica di produzione consente di ospitare nel vostro dispositivo? Il modello trova quindi la geometria che fornisce le proprietà desiderate per il numero di elementi costitutivi che potete effettivamente produrre."
Uno dei principali problemi pratici trascurato nelle ricerche precedenti è stata la durabilità dei metamateriali. La maggior parte dei design esistenti si rompe dopo essere stati utilizzati alcune volte. Questo perché gli approcci esistenti alla progettazione dei metamateriali non tengono conto della durabilità.
"Finora si è trattato solo di quali proprietà è possibile ottenere. Il nostro studio considera la durabilità e seleziona i progetti più durevoli da un ampio pool di candidati alla progettazione. Ciò rende i nostri progetti davvero pratici e non solo avventure teoriche", afferma Zadpoor.
Le possibilità dei metamateriali sembrano infinite, ma il pieno potenziale è lungi dall'essere realizzato, afferma il professore assistente Mohammad J. Mirzaali, autore corrispondente della pubblicazione. Questo perché trovare la progettazione ottimale di un metamateriale è attualmente ancora in gran parte basato sull’intuizione, comporta tentativi ed errori ed è, quindi, ad alta intensità di lavoro. L'utilizzo di un processo di progettazione inversa, in cui le proprietà desiderate costituiscono il punto di partenza della progettazione, è ancora molto raro nel campo dei metamateriali.
"Ma riteniamo che il passo che abbiamo compiuto sia rivoluzionario nel campo dei metamateriali. Potrebbe portare a tutti i tipi di nuove applicazioni." Esistono possibili applicazioni in impianti ortopedici, strumenti chirurgici, robot morbidi, specchi adattivi e tute esotiche.
Ulteriori informazioni: Helda Pahlavani et al, Apprendimento profondo per la progettazione inversa indipendente dalle dimensioni di metamateriali meccanici stampati in 3D a rete casuale, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202303481
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dall'Università della Tecnologia di Delft
