Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en ETH Zürich hebben een innovatief AI-model ontwikkeld dat zelfstandig nieuwe materialen kan ontwerpen. Het systeem, genaamd DiffuMeta, werkt volgens vergelijkbare principes als ChatGPT, maar richt zich niet op taal. In plaats daarvan genereert het volledig nieuwe 3D-materialen met vooraf bepaalde mechanische eigenschappen, zoals flexibiliteit, sterkte of schokabsorptie. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Machine Intelligence.
Slimmere manier om materialen te ontwikkelen Het ontwikkelen van nieuwe materialen behoort tot de meest complexe uitdagingen binnen de techniek. Vooral bij metamaterialen speelt de geometrische structuur een cruciale rol: de vorm bepaalt namelijk hoe het materiaal zich gedraagt. Daardoor moeten onderzoekers normaal gesproken enorme aantallen mogelijke ontwerpen onderzoeken voordat zij een geschikte structuur vinden. Dat proces kan jaren duren.
AI verandert die aanpak ingrijpend. Eerder lieten universitair hoofddocent Sid Kumar en professor Dennis Kochmann al zien dat kunstmatige intelligentie zeer geschikt is voor zogenoemd ‘inverse design’. Daarbij vertrekken onderzoekers niet vanuit een bestaande structuur, maar juist vanuit de gewenste eigenschappen van een materiaal. De AI zoekt vervolgens naar ontwerpen die daarbij passen.
Met DiffuMeta zetten de onderzoekers nu een volgende stap. Het model kan op basis van specifieke eisen volledig nieuwe metamaterialen bedenken die nog niet eerder zijn ontworpen.
Geometrie omgezet in wiskundige taal Een grote uitdaging bij AI-gestuurd materiaalontwerp is dat neurale netwerken moeite hebben met complexe geometrische vormen. Daarom kozen de onderzoekers voor een bijzondere aanpak: zij vertaalden geometrieën naar wiskundige vergelijkingen.
Volgens Kumar functioneren deze vergelijkingen als woorden in een taal. Met behulp van wiskundige regels ontstaat vervolgens een soort grammatica die het AI-model begrijpt. Daardoor kan het systeem complexe 3D-structuren genereren alsof het zinnen vormt.
Het model gebruikt hiervoor een zogenoemd diffusieproces, vergelijkbaar met technologie achter AI-beeldgeneratoren. Net zoals beeld-AI begint met willekeurige ruis en stap voor stap een afbeelding opbouwt, start DiffuMeta met willekeurige wiskundige uitdrukkingen die geleidelijk worden verfijnd tot een bruikbaar materiaalontwerp.
Voor de gewenste spanning–rek-respons genereert het DiffuMeta AI-model een nieuwe algebraïsche vergelijking, die de vorm van het metamateriaal bepaalt.
Meerdere oplossingen voor hetzelfde probleem Een belangrijk voordeel van DiffuMeta is dat het niet slechts één ontwerp oplevert. Het model genereert meerdere verschillende structuren die allemaal voldoen aan dezelfde mechanische eisen. Ingenieurs kunnen daardoor kiezen uit verschillende opties, afhankelijk van bijvoorbeeld productiekosten, gewicht of duurzaamheid.
Om de betrouwbaarheid van de ontwerpen te testen, printten de onderzoekers diverse AI-gegenereerde metamaterialen met een 3D-printer. Laboratoriumtests bevestigden vervolgens dat de materialen zich daadwerkelijk gedroegen zoals het model had voorspeld.
Twee 3D-geprinte metamaterialen, ontworpen met DiffuMeta AI
Op weg naar een universele materiaal-AI De onderzoekers zien DiffuMeta als een belangrijke stap richting een toekomst waarin ingenieurs simpelweg aangeven welke eigenschappen een materiaal moet hebben, waarna AI automatisch mogelijke ontwerpen genereert.
In de volgende fase willen zij het systeem uitbreiden naar andere materiaalsoorten, waaronder polymeren en piëzo-elektrische materialen. Daarnaast werken zij aan methoden om minder trainingsdata nodig te hebben, zodat het model efficiënter en breder inzetbaar wordt.
De uiteindelijke ambitie is een universeel AI-systeem dat uiteenlopende materialen kan ontwerpen voor verschillende toepassingen. Als die visie werkelijkheid wordt, kan dat de ontwikkeling van nieuwe materialen fundamenteel veranderen.
We gebruiken cookies om ervoor te zorgen dat onze site zo soepel mogelijk draait. Als je doorgaat met het gebruiken van deze site, gaan we ervan uit dat je ermee instemt.
