Новый тип материала, который назвали механической нейронной сетью, может учиться и улучшать свою способность справляться с неожиданными силами благодаря уникальной решетчатой структуре с соединениями изменяемой жесткости.
Новый материал уникален тем, что его свойства в основном определяются геометрией и особенностями конструкции, а не материалом, из которого он сделан. Хорошим примером будут застежки-липучки на одежде и детской обуви. Они могут изготавливаться из ткани, пластика или любого другого материала, но благодаря тому, что одна сторона представляет собой ткань с жесткими крючками, а другая имеет пушистые петли, все они будут иметь «липучие» свойства.
Новый материал сделан по принципу искусственной нейронной сети. Он состоит из слоев взаимосвязанных узлов, которые могут научиться выполнять задачи, через изменение степени жесткости каждого соединения. Иными словами, механическую решетку с физическими узлами можно научить приобретать определенные механические свойства, регулируя жесткость каждого соединения.
Чтобы выяснить, сможет ли механическая решетка приобретать и поддерживать новые свойства — например, принимать новую форму или изменять направленную силу, — учёные начали с создания компьютерной модели. Затем они выбрали желаемую форму материала, а также приложенные усилия и заставили компьютерный алгоритм настроить натяжение соединений таким образом, чтобы прикладываемые усилия создавали желаемую форму. Учёные провели это обучение на 200 различных решетчатых структурах и обнаружили, что треугольная решетка лучше всего подходит для достижения всех протестированных форм.
Как только соединения будут настроены для выполнения набора задач, материал продолжит реагировать желаемым образом. Обучение как бы запоминается в структуре самого материала.
Затем учёные построили физический прототип решетки с регулируемыми электромеханическими пружинами, расположенными в виде треугольной решетки. Он состоял из 15-сантиметровых соединений и имел длину около 61 см и ширину 46 см. И это сработало. Когда решетка и алгоритм работали вместе, материал мог обучаться и изменять форму определенным образом под воздействием различных сил.
Почему это важно
За исключением некоторых живых тканей, очень немногие материалы могут научиться лучше справляться с непредвиденными нагрузками. Представьте себе крыло самолета, которое внезапно подхватывает порыв ветра и отбрасывает в неожиданном направлении. Крыло не может изменить свою конструкцию, чтобы лучше противодействовать ветру.
Новый прототип решетчатого материала может адаптироваться к изменяющимся или неизвестным условиям. Например, в крыле такими изменениями могут быть накопление внутренних повреждений, изменения способа крепления крыла к кораблю, или колебания внешних нагрузок. Каждый раз, когда крыло, сделанное из механической нейронной сети, сталкивалось с одним из этих сценариев, оно могло усиливать и смягчать свои соединения, чтобы поддерживать желаемые характеристики. Со временем, благодаря последовательным корректировкам алгоритма, крыло приобретает и поддерживает новые свойства, добавляя каждое поведение к остальным. Это напоминает мышечную память.
Новый тип материала может найти применение для повышения долговечности и эффективности конструкций. Крыло, сделанное из материала механической нейронной сети, может быть не только прочнее, но и обучаться принимать формы, которые максимизируют эффективность использования топлива в ответ на изменяющиеся условия вокруг него.
Что еще неизвестно
До сих пор команда учёных работала только с 2D-решетками. Но с использованием компьютерного моделирования трехмерные решетки могут иметь гораздо большую способность к обучению и адаптации. Это увеличение связано с тем, что трехмерная структура может иметь в десятки раз больше соединений, или пружин, которые не пересекаются друг с другом. Однако механизмы, которые использовали в первой модели, слишком сложны, чтобы поддерживать их в большой трехмерной структуре.
Что дальше
Новый материал является доказательством концепции и показывает потенциал механических нейронных сетей. Но чтобы воплотить эту идею в жизнь, потребуется выяснить, как сделать отдельные части меньше и с точными свойствами изгиба и напряжения. Нужно продолжать исследования, чтобы новый материал нашёл применение на практике.
