科學(xué)家發(fā)現加速3D打印的新材料的方法

3D打印越來(lái)越受歡迎，用于制造各種物品，從定制的醫療設備到負擔得起的家庭，創(chuàng )造了更多的需求，為非常具體的用途設計的新的3D打印材料。

為了縮短發(fā)現這些新材料所需的時(shí)間，麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種數據驅動(dòng)的過(guò)程，利用機器學(xué)習優(yōu)化具有多種特性的新3D打印材料，如韌性和抗壓強度。

通過(guò)簡(jiǎn)化材料開(kāi)發(fā)，該系統降低了成本，減少了化學(xué)廢物的數量，減少了對環(huán)境的影響。機器學(xué)習算法還可以通過(guò)提出人類(lèi)直覺(jué)可能忽略的獨特化學(xué)配方來(lái)刺激創(chuàng )新。

計算機科學(xué)與 (CSAIL)的機械工程師兼項目經(jīng)理邁克福希(Mike Foshey)表示：“材料開(kāi)發(fā)在很大程度上仍是一種手工操作?；瘜W(xué)家走進(jìn)實(shí)驗室，手工混合配料，制作樣品，，并得出最終配方。但我們的系統不能讓一名化學(xué)家在一段時(shí)間內進(jìn)行幾次迭代，我們的系統可以在同一時(shí)間內進(jìn)行數百次迭代?！备ＯＪ怯嬎銠C科學(xué)與 (CSAIL)的計算設計與制造集團(CDFG)的機械工程師和項目經(jīng)理。

其他作者包括CDFG的技術(shù)助理蒂莫西厄普斯(TimothyErps)；米娜科納科維奇？盧科維奇？，CSAIL博士后；萬(wàn)壽，前麻省理工學(xué)院博士后，現任阿肯色州大學(xué)助理教授；高級作家Wojciech Matusik，麻省理工學(xué)院電氣工程和計算機科學(xué)教授；漢斯哈根蓋茨克，赫夫迪奇和巴斯夫的克勞斯斯托爾。這項研究今天發(fā)表在科學(xué)進(jìn)步。

優(yōu)化發(fā)現

在研究人員開(kāi)發(fā)的系統中，一個(gè)優(yōu)化算法執行了大部分的試驗和錯誤發(fā)現過(guò)程.

材料開(kāi)發(fā)人員選擇幾種成分，在算法中輸入化學(xué)成分的細節，并定義新材料應該具備的力學(xué)性能。然后，算法增加和減少這些組件的數量(比如放大器上的轉動(dòng)旋鈕)，并檢查每個(gè)公式如何影響材料的性能，然后才能達到理想的組合。

然后，開(kāi)發(fā)人員混合、處理和該示例，以了解該材料的實(shí)際執行情況。開(kāi)發(fā)人員將結果報告給算法，算法會(huì )自動(dòng)從實(shí)驗中學(xué)習，并使用新的信息來(lái)決定另一個(gè)要的配方。

福希說(shuō)：“我們認為，對于許多應用程序來(lái)說(shuō)，這將優(yōu)于傳統的方法，因為你可以更多地依靠?jì)?yōu)化算法來(lái)找到最優(yōu)解。你不需要一位專(zhuān)家化學(xué)家在手頭預選材料配方?！?br/>
研究人員創(chuàng )造了一個(gè)免費的、開(kāi)源的材料優(yōu)化平臺，名為AutoOED，它整合了同樣的優(yōu)化算法。AutoOED是一個(gè)完整的軟件包，也允許研究人員進(jìn)行他們自己的優(yōu)化。

制造材料

研究人員了這個(gè)系統，用它來(lái)優(yōu)化一種新的3D油墨的配方，當它暴露在紫外線(xiàn)下時(shí)會(huì )變硬。

他們確定了在配方中使用的六種化學(xué)物質(zhì)，并設定了算法的目標，以發(fā)現在韌性、壓縮模量(剛度)和強度方面表現最好的材料。

手動(dòng)最大化這三種屬性尤其具有挑戰性，因為它們可能相互沖突；例如，最強的材料可能不是最堅硬的。使用手動(dòng)處理，化學(xué)家通常一次嘗試最大化一個(gè)屬性，導致大量的實(shí)驗和大量的浪費。

該算法僅對120個(gè)樣本進(jìn)行了，得到了12種性能最佳的材料，并對三種性能進(jìn)行了最優(yōu)權衡。

福希和他的合作者對這種算法能夠產(chǎn)生的各種各樣的材料感到驚訝，他們說(shuō)，基于這六種成分，結果的差異遠大于他們的預期。該系統鼓勵勘探，在特定材料特性難以直觀(guān)發(fā)現的情況下尤其有用。

未來(lái)更快

通過(guò)使用額外的自動(dòng)化，可以更快地加快這一進(jìn)程。研究人員用手混合和每一個(gè)樣本，但是機器人可以在未來(lái)版本的系統中操作配藥和混合系統，Foshey說(shuō)。

在更遠的道路上，研究人員還希望這種數據驅動(dòng)的發(fā)現過(guò)程，以用于開(kāi)發(fā)新的3D打印油墨以外的其他用途。

他說(shuō)：“這在材料科學(xué)領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。例如，如果你想設計效率更高、成本更低的新型電池，你可以用這樣的系統來(lái)完成?；蛘?，如果你想優(yōu)化性能良好、環(huán)保的汽車(chē)的油漆，這個(gè)系統也可以做到這一點(diǎn)?！?/p>