Forskere kortlægger fremskridt inden for arkitektonerede materialer, der reagerer på ydre stimuli

Nylige fremskridt inden for forprogrammerede arkitekterede materialer kan muliggøre nye funktioner, der kan udvikle sig som reaktion på deres omgivelser eller eksterne stimuli, ifølge forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).

I et papir udgivet af Nature Reviews Materials , LLNL-forskere giver et overblik over de fremskridt, der er gjort inden for responsive arkitekterede materialer, der kan forvandle sig til en bestemt form og udvise nye egenskaber, når de udsættes for varme, magnetiske eller elektriske kræfter, kemiske eller elektrokemiske reaktioner og mekaniske deformationer. Forfatterne forklarer også programmerings- og transformationsmekanismerne for hver tilgang og undersøger potentielle anvendelser, herunder implanterbart medicinsk udstyr, robotteknologi og kemiske eller mekaniske sensorer. Tidsskriftet vil vise papiret på forsiden af ​​en kommende trykt udgave.

"Additiv fremstilling har gjort det muligt at skabe arkitektonerede materialer, der har forbedrede egenskaber og ny funktionalitet sammenlignet med de indgående materialer på grund af deres omhyggeligt designede indre og ydre strukturer," sagde LLNL-medarbejder og hovedforfatter Xiaoxing Xia. "Disse responsive arkitektonerede materialer er ikke stillestående efter fremstilling; de kan udvikle sig i rum og tid efter en programmeret bane og kan reagere på forskellige former for stimuli - det være sig mekaniske, termiske, elektromagnetiske eller kemiske - og transformere deres form, ændre egenskaber eller navigere selvstændigt."

Ved at vurdere den nuværende tilstand af responsive arkitekterede materialer sammenligner Xia og teamet responsive materialer med dynamiske fænomener, der findes i klassiske materialer, såsom fasetransformation og topologiske isolatorer, og beskriver dem inden for rammerne af beregning og maskinlæring. Arkitekterede materialer kan ikke kun udføre forprogrammeret mekanisk logik, men kan også trænes og optimeres ved maskinlæring.

Dybe neurale netværk "transformeres potentielt" til at designe materialer med overlegne mekaniske eller elektromagnetiske reaktioner, sagde forskere. For eksempel kunne deep-learning algoritmer træne billeder af geometrier og bruge dem til at generere nye strukturer med optimeret ydeevne eller designe arkitektonerede materialer, der kan 3D-printes og fungere som fysiske kerner til at udføre inferensopgaver - såsom håndskrevne tal eller vokalstemmegenkendelse – i realtid som reaktion på lyd eller lys, konkluderede de.

I fremtiden kan responsive arkitektonerede materialer finde vej ind i implanterbart medicinsk udstyr, som køretøjer til lægemiddellevering, i "tilslørings"-teknologier eller autonome robotter, eller blive brugt til at gemme eller afsløre følsom information efter behov, sagde forskere. De spekulerer i, at sådanne materialer en dag kan udvikle sig til at lære af tidligere eller nuværende erfaringer, ligesom den menneskelige hjerne.

"Arkitekterede materialer bliver mere og mere intelligente, og i fremtiden kan de være neuromorfe - hvilket betyder, at de kan efterligne hjernens struktur og funktion," sagde Xia. "Her stiller vi spørgsmålet:'Hvad nu hvis de kunne blive sansende ved at udvikle præference for visse stimuli frem for andre, hvilket er analogt med at føle lykke eller smerte?' De kunne være et modelsystem til at studere hjernen."

Julia Greer, professor og materialeforsker ved California Institute of Technology, var en af ​​medforfatterne til papiret. Hun sagde, at hun forestiller sig en fremtid, hvor materialer i nanoskala erstatter konventionelle materialer på mange områder af det daglige liv og en dag endda kan nå et vist niveau af sansning.

"For at realisere denne vision om, at arkitektonerede materialer er allestedsnærværende i samfundet - ikke kun brugt i videnskab og teknik - vil vi have brug for nye, mere effektive og nøjagtige beregningsmodeller, der kan fange mekanikken og fysikken i additiv fremstilling til en overkommelig pris," sagde Greer. . "Ved at vide, at der er mange talentfulde mennesker, der arbejder med disse problemer, ser jeg frem til den dag, hvor vi kan skabe arkitektonerede materialer og enheder, der er gennemsyret af evnen til at træffe beslutninger på egen hånd." + Udforsk yderligere

Video:Små formskiftende polymerer udviklet til potentielle medicinske anvendelser