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AI材料可自我學(xué)習(xí)并形成“肌肉記憶”

2022年10月21日 10:07  科技日報  作 者:張夢然

北京10月20日電 (記者張夢然)就像一個不用看琴鍵就能熟練彈奏的鋼琴家,美國加州大學(xué)洛杉磯分校的機械工程師設(shè)計出了一種新的材料,可隨著時間的推移學(xué)習(xí)行為并發(fā)展出它自己的“肌肉記憶”,允許實時適應(yīng)不斷變化的外力。該材料由一個具有可調(diào)梁的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成,能根據(jù)動態(tài)條件改變其形狀和行為。19日發(fā)表在《科學(xué)·機器人》上的這項研究。

領(lǐng)導(dǎo)該研究的加州大學(xué)洛杉磯分校工程學(xué)院機械和航空航天工程教授喬納森·霍普金斯說,這種人工智能材料可對暴露于環(huán)境條件時應(yīng)表現(xiàn)出的行為和特性進(jìn)行學(xué)習(xí)。例如,當(dāng)材料被放置在飛機機翼中時,它可以學(xué)習(xí)飛行過程中風(fēng)的模式,改變自身機翼的形狀,以提高飛機的效率和機動性;而被注入這種材料的建筑結(jié)構(gòu)還可自我調(diào)整某些區(qū)域的剛度,以提高其在地震或其他自然或人為災(zāi)害期間的整體穩(wěn)定性。

科學(xué)家們利用和調(diào)整了現(xiàn)有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正是驅(qū)動機器學(xué)習(xí)的算法,研究人員在互連系統(tǒng)中開發(fā)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組件的機械等效物。這一機械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由以三角形格子圖案定向的單獨可調(diào)光束組成。每根梁都具有音圈、應(yīng)變片和撓曲件,使梁能夠改變其長度,實時適應(yīng)不斷變化的環(huán)境,并與系統(tǒng)中的其他梁相互作用。

然后,優(yōu)化算法通過從每個應(yīng)變儀獲取數(shù)據(jù)并確定剛度值的組合來控制整個系統(tǒng)。為了檢查應(yīng)變儀監(jiān)控系統(tǒng)的有效性,研究團(tuán)隊還使用了在系統(tǒng)輸出節(jié)點上訓(xùn)練的相機。

該系統(tǒng)的早期原型在施加力的輸入和機械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的輸出之間表現(xiàn)滯后,影響了系統(tǒng)的整體性能。該團(tuán)隊測試了梁中應(yīng)變儀和彎曲的多次迭代以及不同的晶格圖案和厚度,最終設(shè)計方案克服了滯后并在各個方向準(zhǔn)確地分配了施加的力。

目前該系統(tǒng)大約有微波爐那么大,但研究人員計劃簡化機械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,以便在3D晶格內(nèi)以微尺度制造數(shù)千個網(wǎng)絡(luò),以用于實際材料應(yīng)用。

總編輯圈點

一種材料為什么會自我學(xué)習(xí)?這就要靠人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其賦予了這種新材料智能和自適應(yīng)的特性。其實在近年大熱的機器學(xué)習(xí)中,利用到的也正是相同基本原理。未來,除了在車輛和建筑材料中使用這種新材料外,還可以將其用于戰(zhàn)場,如整合到裝甲中,從而實現(xiàn)對沖擊波的偏轉(zhuǎn);或用于醫(yī)療領(lǐng)域,聲學(xué)成像技術(shù)亦將因此得到長足發(fā)展。

編 輯:章芳
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