在航空航天、通信、能源等領(lǐng)域，如何處理多余的熱量是業(yè)界需要攻克的關(guān)鍵問(wèn)題之一。而上海交大的一項(xiàng)最新發(fā)現(xiàn)，可借助人工智能（AI）讓超材料設(shè)計(jì)突破“天花板”。
7月3日下午，在位于上海張江科學(xué)城的上海交通大學(xué)呂志和科學(xué)園，金屬基復(fù)合材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院/張江高等研究院未來(lái)材料創(chuàng)制中心周涵教授介紹了團(tuán)隊(duì)前一天晚刊于《Nature》上的最新成果，團(tuán)隊(duì)在人工智能（AI）熱輻射超材料領(lǐng)域取得重大原創(chuàng)突破，構(gòu)建了一個(gè)熱輻射超材料逆向設(shè)計(jì)AI模型，突破了現(xiàn)有“菜式”的“上限”，能大批量生成熱輻射超材料候選設(shè)計(jì)方案，并從里面“優(yōu)中選優(yōu)”。
金葉子 攝
超材料是一類(lèi)具有特殊性質(zhì)的人造材料，不同于自然界已有的材料，它具備一些特別的性質(zhì)，穿上這種材料制作的“外衣”就像穿了一件降溫神器，能夠幫助物體自動(dòng)降溫，在零能耗輻射冷卻、電子器件熱調(diào)控、人體熱管理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，如何又快又好地設(shè)計(jì)出性能符合需要的熱輻射超材料，科學(xué)家們一直在探索。
周涵介紹，這一AI模型不僅能“發(fā)明”新材料，還能從中挑選出那些更適合大規(guī)模使用、成本更低的超材料。以典型的雙波段選擇性超材料為例，該材料僅需簡(jiǎn)單的溶液法就能在室溫下制備，以涂料的形式可直接應(yīng)用在磚墻、金屬、塑料和玻璃等常見(jiàn)物體的表面，就像給物體用上了防曬降溫霜。此外，這種材料成本低、應(yīng)用形式靈活，從建筑外墻到隨身衣物，從戶(hù)外設(shè)施到電子產(chǎn)品，這種物美價(jià)廉的“降溫能手”將在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手，讓高科技降溫真正走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。
而這個(gè)想法最初誕生于2018年，彼時(shí)周涵就想讓機(jī)器代替人工篩選上萬(wàn)種組合，此后，團(tuán)隊(duì)嘗試從自然界獲取靈感，提取出30多種具有光學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)單元，開(kāi)發(fā)了模型，為AI“喂”進(jìn)足夠的學(xué)習(xí)資料。
當(dāng)算法確定了以后，通過(guò)數(shù)據(jù)積累獲得了5萬(wàn)組數(shù)據(jù)樣本，只需要三個(gè)月的時(shí)間，就可以基于這五萬(wàn)組數(shù)據(jù)樣本篩選出1500組接近極限性能的優(yōu)選方案，并最終選出四種典型材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示，這些AI生成的材料不僅在性能上接近理論極限，而且能夠適配航天器熱控、建筑節(jié)能、人體散熱等不同應(yīng)用場(chǎng)景，大面積制備具備可行性。
“這1500組數(shù)據(jù)性能指標(biāo)接近于極限性能了，我們?yōu)榱蓑?yàn)證機(jī)器學(xué)習(xí)算法的準(zhǔn)確性，以及制備應(yīng)用的可行性，最終從1500組模型里選出了典型的4種材料進(jìn)行了制備，進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)值和理論值的一個(gè)對(duì)照。”她告訴第一財(cái)經(jīng)記者。這個(gè)成果突破也為未來(lái)新材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
上述提到的4種針對(duì)特定應(yīng)用的熱輻射超材料，包括寬帶熱輻射超材料、單波段選擇性及雙波段選擇性熱輻射超材料等。實(shí)際應(yīng)用形式也涵蓋了柔性薄膜、涂料、貼片等多種形式。他們?cè)诙喾N戶(hù)外場(chǎng)景實(shí)測(cè)中，AI模型所設(shè)計(jì)的熱輻射超材料均展現(xiàn)出優(yōu)異的自降溫效果，并且不同類(lèi)型的材料可適用于不同的應(yīng)用環(huán)境，就像給物體根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不同披上了不同的“自動(dòng)降溫外套”。
談及該成果突破對(duì)材料產(chǎn)業(yè)的意義，周涵解釋?zhuān)煌趥鹘y(tǒng)的方法，用AI的話(huà)未來(lái)可能會(huì)有一個(gè)井噴，而且出來(lái)的這些材料它的結(jié)構(gòu)、機(jī)理都是以前從來(lái)沒(méi)有被報(bào)道過(guò)的。所以一方面AI給材料的應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)會(huì)，另外也給專(zhuān)門(mén)研究物理機(jī)理方面提供了探索的空間。
Nature審稿人對(duì)該項(xiàng)研究評(píng)價(jià)：“研究展示了關(guān)于利用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證寬帶超材料的杰出研究。作者將先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于熱輻射超材料設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證展現(xiàn)出卓越性能，這一創(chuàng)新成果令人高度贊賞”“這項(xiàng)研究標(biāo)志著機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的超材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，該研究扎實(shí)而全面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人信服且具有重要影響。”
除了周涵團(tuán)隊(duì)，本次成果團(tuán)隊(duì)還包括金屬基復(fù)合材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任張荻院士團(tuán)隊(duì)，新加坡國(guó)立大學(xué)仇成偉院士團(tuán)隊(duì)、美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校鄭躍兵教授團(tuán)隊(duì)。周涵教授、張荻院士、仇成偉院士、鄭躍兵教授為論文共同通訊作者；上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院/張江高等研究院博士生肖誠(chéng)禹為論文第一作者；上海交通大學(xué)為論文第一完成單位。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、上海市科學(xué)技術(shù)發(fā)展資金、上海交通大學(xué)2030計(jì)劃的資助，已獲得軟件著作權(quán)并已申請(qǐng)相關(guān)發(fā)明專(zhuān)利。
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