Metamaterialen ontwerpen dat zowel licht als sterk is? Dat is hoe we volgens onderzoekers van de TU Delft en ETH Zürich in de toekomst materialen zullen ontwerpen. In een nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature Machine Intelligence introduceren zij DiffuMeta: een AI‑model dat op vergelijkbare wijze werkt als ChatGPT. Maar in plaats van tekst te genereren ontwerpt het 3D‑materialen. Door vormen weer te geven als wiskundige zinnen kan het model compleet nieuwe metamaterialen creëren die voldoen aan specifieke mechanische doelen, zoals hoe ze buigen, samendrukken of energie absorberen.
Metamaterialen ontwerpen
Het ontwerpen van een nieuw materiaal is een van de meest uitdagende problemen binnen de techniek. Dit geldt in het bijzonder voor metamaterialen, waarbij de geometrie het mechanische gedrag bepaalt. Het ontwerpen van metamaterialen met bepaalde eigenschappen vereist vaak het verkennen van een enorm aantal mogelijke vormen. Nog maar tien jaar geleden kon het ontdekken van een nieuw ontwerp een volledig PhD-traject in beslag nemen. Kunstmatige intelligentie begint dat nu te veranderen.
Gewenste eigenschappen als vertrekpunt
Eerder toonden universitair hoofddocent Sid Kumar en zijn collega, professor Dennis Kochmann (ETH Zürich), aan dat AI zeer effectief kan zijn bij inverse design. In plaats van te beginnen met een structuur en het gedrag daarvan te berekenen, vertrekt inverse design vanuit de gewenste eigenschappen en zoekt het naar structuren die deze eigenschappen realiseren.
Nieuw model
Nu gaan zij een stap verder. Met DiffuMeta introduceren zij een model dat is geïnspireerd op grote taalmodellen zoals ChatGPT. Op basis van specifieke mechanische eigenschappen kan het volledig nieuwe metamaterialen genereren.
Vormen vertalen naar algebra
Een van de grootste uitdagingen bij het toepassen van AI op materiaalontwerp is dat neurale netwerken van nature geen goed begrip hebben van geometrie. “Daarom hebben we geometrieën omgezet in wiskundige vergelijkingen,” legt Kumar uit. “Deze elementen fungeren als onze woorden, en met de regels van wiskunde als grammatica kunnen we zinnen vormen die door ons AI‑model worden begrepen.”
Diffusieproces
Voor de gewenste spanning–rek-respons genereert het DiffuMeta AI-model een nieuwe algebraïsche vergelijking, die de vorm van metamaterialen bepaalt.
Het model maakt gebruik van een techniek die bekendstaat als een diffusieproces, vergelijkbaar met de technologie achter AI‑beeldgeneratoren. Wanneer je een beeldmodel vraagt een afbeelding te maken, begint het met willekeurige ruis en verfijnt dit geleidelijk tot een beeld. DiffuMeta werkt op een vergelijkbare manier, maar met wiskundige uitdrukkingen in plaats van pixels. Het eindresultaat is een vergelijking die een 3D‑geometrie representeert. Belangrijk is dat het model niet slechts één oplossing produceert: het genereert meerdere verschillende ontwerpen die allemaal aan dezelfde criteria voldoen, waardoor ingenieurs kunnen kiezen uit verschillende opties.
3D-printen van metamaterialen
Om te testen of deze ontwerpen ook daadwerkelijk werken, gingen de onderzoekers verder dan simulaties. Ze 3D‑printten verschillende door AI gegenereerde metamaterialen en testten deze in het lab. De resultaten toonden aan dat de fysieke monsters zich gedroegen zoals voorspeld, en in dit geval overeenkwamen met de beoogde spanning‑rek‑eigenschappen.
Naar een universeel AI‑ontwerpinstrument voor materialen
DiffuMeta vormt een belangrijke stap naar een nieuwe manier van materiaalontwerp, waarbij ingenieurs aangeven wat ze willen en AI de enorme ontwerpruimte voor hen verkent. De onderzoekers willen het model nu uitbreiden naar andere soorten materialen, zoals polymeren en piëzo-elektrische systemen. Een ander belangrijk doel is het verminderen van de hoeveelheid trainingsdata die nodig is, zodat de methode efficiënter en breder toepasbaar wordt.
Ambitieuze langetermijnvisie
“De langetermijnvisie is ambitieus. We willen één AI‑model dat veel verschillende soorten materialen kan ontwerpen, over meerdere eigenschappen en toepassingen heen. Als dit lukt, kan deze aanpak de manier waarop materialen worden ontwikkeld fundamenteel veranderen,” aldus Kumar.
Openingsfoto: 3D-geprint metamateriaal ontworpen met DiffuMeta AI (foto: TU Delft)
Lees ook: Hightech sportschoenen dankzij programmeerbaar monomateriaal
De langetermijnvisie is ambitieus. We willen één AI‑model dat veel verschillende soorten materialen kan ontwerpen, over meerdere eigenschappen en toepassingen heen. Als dit lukt, kan deze aanpak de manier waarop materialen worden ontwikkeld fundamenteel veranderenUniversitair hoofddocent Sid Kumar
