美國陸軍AI驅(qū)動的3D打印機器人創(chuàng)造出人類無法做到的減震結(jié)構(gòu)

南極熊導讀：在美國陸軍的一個項目中，利用機器學習功能，自主機器人能夠設計出比人類更優(yōu)秀的減震結(jié)構(gòu)，從而在提供保護方面表現(xiàn)更出色

△該研究已經(jīng)發(fā)表在《自然通訊雜志》，題目為“通過自動駕駛實驗室與人類的合作，發(fā)現(xiàn)了極高的機械能量吸收效率”（傳送門）

2024年5月23日，南極熊獲悉，美國波士頓大學的研究人員已經(jīng)使3D打印機器人能夠利用人工智能(AI)來進一步推進先進材料的創(chuàng)造過程。據(jù)研究人員稱，這一突破對于設計更安全的頭盔、包裝、汽車保險杠等具有巨大的潛力。

△波士頓大學實驗室的機械臂將色彩繽紛的微小圓柱形物體放入盒子中，自主進行實驗以找到最有效的能量吸收形狀

工程自主創(chuàng)新

波士頓大學工程學院下屬的KABlab團隊正在研究各種長度尺度的方法，以解決傳統(tǒng)試錯法無法應對的大量可能性問題。他們采用了兩種新技術：第一，利用掃描探針開發(fā)創(chuàng)新的納米組合方法來研究和設計小尺度材料；第二，開發(fā)自主研究系統(tǒng)，將自動化與機器學習相結(jié)合，以加速知識生成。

△示意圖顯示了一個自主研究系統(tǒng)，其中五臺3D打印機用于制造聚合物結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)會自動稱重、成像并使用準靜態(tài)壓縮進行測試。此測試的輸出會被自動解釋并用于選擇后續(xù)要測試的設計

這個名為MAMA BEAR（增材制造結(jié)構(gòu)力學貝葉斯實驗自主研究者）的機器人從2018年開始構(gòu)思，經(jīng)歷了多次改裝。到2021年，實驗室已對機器人進行了編程，以創(chuàng)造出一種具有最高機械能吸收效率的形狀，這成為衡量機器人能吸收多少能量的標準。它利用機器學習的最新發(fā)展，提供了從海量數(shù)據(jù)集中獲取新見解的新工具，并能更高效地獲取較小的數(shù)據(jù)集。

研究人員稱，在過去三年里，這臺機器一直在連續(xù)運轉(zhuǎn)，生產(chǎn)了超過2.5萬個3D打印結(jié)構(gòu)，裝滿了幾十個箱子。

由于能夠有效吸收能量的材料應用廣泛，例如在運輸過程中為精密電子產(chǎn)品提供緩沖，或為運動員提供護膝和護腕等防護裝備，因此創(chuàng)造出多種形狀是必不可少的。

波士頓大學機械工程副教授Keith Brown在一份聲明中指出：“例如，你可以利用這個數(shù)據(jù)圖書館制造出更好的汽車保險杠或包裝設備�！�

△利用3D打印和人工智能技術開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)

提升高性能結(jié)構(gòu)的開發(fā)效率

為了達到最佳性能，結(jié)構(gòu)必須達到完美的平衡：它們不能太堅固，以免造成破壞，但又必須足夠堅固，以吸收沖擊力。

在MAMA BEAR之前，觀察到的最高效率約為71%。然而，Brown團隊見證了他們的機器人達到了破紀錄的75%的效率。

破紀錄的結(jié)構(gòu)外觀令研究人員感到驚訝。它比之前的設計更高、更薄，四個點就像薄薄的花瓣。Brown說：“我們很高興這里有如此多的機械數(shù)據(jù)，我們正在利用這些數(shù)據(jù)學習更廣泛的設計經(jīng)驗�！�

該團隊還與美國陸軍合作，將大量數(shù)據(jù)應用于為士兵設計新的頭盔襯墊。通過實地測試，他們確保了正在申請專利的襯墊在提供撞擊保護方面的舒適性和有效性。

與破紀錄的結(jié)構(gòu)不同，3D襯墊的中心更柔軟，身材更短小，從而提高了舒適度。

△從機械數(shù)據(jù)集中得出的設計見解

KABlab實驗室旨在強調(diào)自主研究的意義。Brown打算繼續(xù)開展跨學科合作，為需要測試大量結(jié)構(gòu)和解決方案的科學家提供幫助。

盡管已經(jīng)創(chuàng)下了紀錄，但Brown強調(diào)，“我們沒有能力知道是否已經(jīng)達到了最高效率”，并暗示了再次超越的可能性。

在Brown和他的團隊探索數(shù)據(jù)庫其它應用的同時，MAMA BEAR還將繼續(xù)運行，不斷突破極限。他們還在研究如何回收這2.5萬塊粉碎的碎片，并將其展開并重新裝入3D打印機，用于進一步的實驗。

Brown說：“我們將繼續(xù)研究這個系統(tǒng)，因為機械效率和許多其它材料特性一樣，只有通過實驗才能準確測量。使用自動駕駛實驗室可以幫助我們挑選最好的實驗，并盡可能快地完成它們�！�