材料的固有機(jī)械行為可以通過施加力和測量產(chǎn)生的變形、屈服應(yīng)力應(yīng)變曲線來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表征。例如，在拉伸載荷下，陶瓷等脆性材料的機(jī)械行為的特征是應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有線性區(qū)域，隨后出現(xiàn)尖銳的終止；彈性體表現(xiàn)出超彈性，其特征是快速上升的上凹應(yīng)力應(yīng)變曲線，沒有明顯的線性區(qū)域。對(duì)于金屬、陶瓷和聚合物等均質(zhì)材料，除了隨機(jī)微觀缺陷的存在之外，對(duì)載荷的響應(yīng)還取決于固有的微觀結(jié)構(gòu)，例如晶體結(jié)構(gòu)、原子鍵合以及組成分子/原子的尺寸和質(zhì)量。

通過三維超材料微架構(gòu)設(shè)計(jì)，增材制造可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的機(jī)械性能定制，這些材料可以表現(xiàn)出不尋常的特性，如負(fù)泊松比、負(fù)壓縮性、超輕和超剛度，形狀可恢復(fù)性和多種穩(wěn)定狀態(tài)。這些架構(gòu)材料在材料性能選擇圖表（如阿什比圖表）中實(shí)現(xiàn)了以前無法達(dá)到的特性，表現(xiàn)出這些特性的架構(gòu)材料通常是通過正向設(shè)計(jì)方法、拓?fù)鋬?yōu)化以及機(jī)器學(xué)習(xí)來設(shè)計(jì)的。正向方法可迭代調(diào)整材料的設(shè)計(jì)參數(shù)（如單元尺寸、壁厚等），直到測量或模擬的材料性能滿足規(guī)定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這通常需要經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)師的大量經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。雖然拓?fù)鋬?yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)已經(jīng)顯示出能夠產(chǎn)生提供所需屬性的設(shè)計(jì)潛力，但由于設(shè)計(jì)映射和響應(yīng)不唯一，它們尚未在實(shí)踐中準(zhǔn)確捕獲所有所需的機(jī)械行為，同時(shí)還存在大量變量。這些設(shè)計(jì)方法還由于制造缺陷、工藝可變性和不確定性的存在而變得更加復(fù)雜，需要大量的校準(zhǔn)來解釋具有數(shù)億空間成分的增材制造樣品中的缺陷。由于這些挑戰(zhàn)，制造的樣品的實(shí)際機(jī)械性能通常與設(shè)計(jì)性能顯著偏離。

3D打印技術(shù)參考注意到，來自弗吉尼亞理工大學(xué)、加州大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)、四川大學(xué)以及劍橋大學(xué)的研究人員共同發(fā)表了題為“Rapid inverse design of metamaterials based on prescribed mechanical behavior through machine learning（“通過機(jī)器學(xué)習(xí)根據(jù)規(guī)定的機(jī)械行為快速進(jìn)行超材料逆向設(shè)計(jì)”）”文章，刊登于近期的《自然通訊》雜志上。

www.nature.com/articles/s41467-023-40854-1

在這項(xiàng)工作中，研究人員提出了一種利用人工智能和3D打印開發(fā)具有精確定義屬性材料的新方法。通過3D打印制造人工智能生成的結(jié)構(gòu)，能夠使材料具有定制的機(jī)械特性。弗吉尼亞理工大學(xué)的鄭曉宇教授解釋，迄今為止，材料開發(fā)主要基于應(yīng)力-應(yīng)變曲線。然而，制造公差通常會(huì)導(dǎo)致與所需性能的偏差。研究人員如今通過人工智能和3D打印提出了一種新方法，用戶定義材料所需的機(jī)械性能，人工智能由此生成3D模型，然后進(jìn)行打印。?

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的快速逆向設(shè)計(jì)方法

就設(shè)計(jì)方法來說，遵循了幾個(gè)步驟。利用生成反向和代理正向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，輸入包括用戶定義的單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線（以曲線特征和制造參數(shù)的形式，給定3D打印機(jī)的最大構(gòu)建體積尺寸和最小可打印特征尺寸），輸出一組最佳設(shè)計(jì)參數(shù)來描述數(shù)字晶格設(shè)計(jì)；然后進(jìn)行3D打印和測試。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員開發(fā)了一系列晶格單元，能夠在單調(diào)和循環(huán)壓縮載荷下捕捉不同的曲線形狀，這些壓縮載荷涵蓋了晶格/點(diǎn)陣/蜂窩結(jié)構(gòu)的廣泛力學(xué)行為。這些單元充當(dāng)創(chuàng)建由兩種不同（脆性和柔性）聚合物基材區(qū)分的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的構(gòu)建塊，機(jī)器學(xué)習(xí)管道從中學(xué)習(xí)各種機(jī)械行為、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工藝相關(guān)制造誤差之間的關(guān)系，并生成復(fù)制目標(biāo)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的可打印晶格。這種方法允許快速創(chuàng)建具有完全可定制的機(jī)械行為的材料，同時(shí)考慮制造過程誤差和非線性行為。

設(shè)計(jì)空間、可繪制的應(yīng)力-應(yīng)變曲線路徑和結(jié)構(gòu)單元

為了證明設(shè)計(jì)過程的可定制性，研究人員通過圖形化定制從商業(yè)中底測量的應(yīng)力應(yīng)變曲線來逆向設(shè)計(jì)鞋中底，以增強(qiáng)跑步性能。在足跟-腳趾跑步過程中，中底在不同負(fù)荷水平下被分為四個(gè)部分，每個(gè)部分的目標(biāo)應(yīng)力-應(yīng)變曲線是通過定制基線曲線來創(chuàng)建的，目的是最大限度提高跑步的推進(jìn)力和緩沖力。量身定制的中底由堅(jiān)硬但舒適的腳趾部分、更柔軟且更高推進(jìn)力的前掌部分和更堅(jiān)硬但耗能的鞋跟部分組成。此外，根據(jù)基底材料（TMPTA）在應(yīng)變速率及其力學(xué)性能之間的比例關(guān)系對(duì)目標(biāo)曲線進(jìn)行了縮放，從而可以使用準(zhǔn)靜態(tài)訓(xùn)練數(shù)據(jù)對(duì)跑步場景中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)測試的曲線與每個(gè)定制截面的目標(biāo)曲線之間具有極好的一致性（平均預(yù)測精度>90%），表明機(jī)器學(xué)習(xí)管道能夠在不同的加載條件下產(chǎn)生滿足多種定制機(jī)械響應(yīng)的材料。?

通過鞋中底的逆向設(shè)計(jì)證明了應(yīng)力應(yīng)變曲線的可定制性

研究人員還逆向設(shè)計(jì)了三個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線來實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法的有效性，結(jié)果表明，這些先進(jìn)的逆向設(shè)計(jì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有連續(xù)的峰值應(yīng)力和協(xié)調(diào)的塌陷機(jī)制以及定制的軟化效果，使得逆向設(shè)計(jì)的復(fù)合晶格成為機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的定制能量吸收填充材料的絕佳候選者。?

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科學(xué)家們表示，人工智能和3D打印的結(jié)合使材料開發(fā)具有前所未有的適應(yīng)性。因此，3D打印將成為制造精確指定特征值材料的技術(shù)，這項(xiàng)研究可能會(huì)從根本上改變材料科學(xué)。

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