人工智能和3D打印如何改变材料设计

大家有没有想过，假如建造一座桥梁，不是用混凝土和钢铁，而是用一种全新的合成材料？这种材料由一种独特的蛋白质分子混合而成，类似于用来生产蜘蛛网丝绸的分子。或者，创造一种由具有自愈和再生能力的生物材料制成的医疗植入物……

不要怀疑，科技创新正在彻底改变材料设计领域。但是，工程师们如何发明这些具有卓越功能的新材料呢？人工智能（AI）在这一过程中起着什么关键作用呢？

传统的材料设计方法通常是在宏观层面上考虑材料特性。但是近年来，出现了一股更先进的材料设计浪潮，涉及到纳米级别的材料。这种新的工程模式使科学家和工程师能够设计出更强、更轻、更灵活、制造成本更低的新材料。

机器学习和预测建模是人工智能的一个强大子集，用以加速新材料的发现。设计人员只需在程序中输入所需的属性和算法，就可以预测哪些化学构建块可以在微观层面上组合，从而创建具有所需功能和属性的结构。

"我们正在利用物理和化学的洞察力，并将其应用于量子力学。我们在人工智能方面正在做的是让计算机重新发现变量之间的关系，回到牛顿发现引力之前。"麻省理工学院迈克菲工程学教授兼麻省理工学院专业教育课程预科多尺度材料设计讲师Markus Buehler说。

"我们可以创建变量之间的关系，然后询问AI系统，'这个设计将如何表现？如果我让分子更长或更短，或添加不同的化学物质会怎么样'？计算机会告诉我们性能是好还是坏。执行一次迭代只需要几微秒，而传统方法可能需要数天或数周。"Buehler说。

换句话说，工程师正在利用简单的构建块制造材料，并以允许开发具有相同高性能特性的大型材料的方式组装它们。AI使得计算机可以在很短的时间内解决问题，如果是工程师手工解决问题，需要的时间可能是AI的很多倍。

科学家们可以同时合成和测试数千种材料。但即使以这样的速度，盲目地尝试各种可能的组合也是浪费时间。这就是3D打印和其他先进制造方法发挥作用的地方。3D打印有助于材料科学领域的创新，因为它使工程师和设计师能够测试新材料。利用现代增材制造和其他实验技术，设计人员可以将这些新材料刻意地存放在空间的某一特定点，以构建任何尺度结构，从而验证或消除这种结果。每次发生这种情况时，都可以将更多数据发送回算法，以便AI随着时间的推移变得更智能。

人工智能在先进材料、设计和工程领域有着广阔的应用前景。专家们一致认为，它将成为几乎所有行业未来创新的基石。但挑战仍然存在，其中最主要的是：需要培训。为了在材料科学中充分发挥人工智能的潜力，工程师、研究人员和科学家必须学习势必会改变行业的尖端工具和技术，才可能创造出下一个神奇的材料。

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