نجح العلماء في استخدام الذكاء الاصطناعي لتصميم مواد نانوية غير مسبوقة تجمع بين قوة الفولاذ وخفة الفوم الرغوي (Foam). هذه المواد الجديدة، التي تم تطويرها باستخدام تعلم الآلة والطباعة ثلاثية الأبعاد، تفوقت على التصاميم الحالية من حيث القوة، حيث ضاعفت القوة بما يزيد عن ضعف التصاميم السابقة. 

قام العلماء بنشر نتائج دراستهم في 23 يناير في مجلة "Advanced Materials"، مؤكدين أن هذه المواد الجديدة يمكن استخدامها في مكونات أقوى وأخف وزناً وأكثر كفاءة في استهلاك الوقود للطائرات والسيارات. قال البروفيسور "توبين فيليتر"، أحد المشاركين في البحث، إن الهدف من هذه التصاميم هو أن تؤدي إلى تطوير مكونات فائقة الخفة في التطبيقات الجوية، مثل الطائرات والمروحيات والمركبات الفضائية، بحيث يمكن تقليل متطلبات الوقود أثناء الطيران مع الحفاظ على معايير السلامة والأداء. وأضاف أن هذا التطور يمكن أن يساعد في تقليص البصمة الكربونية للطيران.

عادةً ما تكون القوة والمتانة في المواد في تضاد، فمثلاً، يمكن لأطباق الطعام الخزفية أن تتحمل الأحمال الثقيلة ولكن قوتها تأتي على حساب المتانة، إذ سرعان ما تنكسر. وتعد هذه مشكلة كبيرة في المواد النانوية المعمارية، حيث تصنع هذه المواد من آلاف البُنى الدقيقة التي تشبه الخلايا التي يبلغ سمكها 1/100 من سمك شعرة الإنسان، ما يجعلها قوية وصلبة لوزنها، لكنها قد تتسبب في تركيزات إجهاد تؤدي إلى كسورها المفاجئ.

ولكن الباحث "بيتر سيرليس"، الذي كان المؤلف الأول للدراسة من جامعة كالتيك، قرر أن هذه التحديات يمكن حلها باستخدام تعلم الآلة. ففي سعيهم لتصميم أفضل للمواد النانوية، قام العلماء بمحاكاة هندسة التصاميم المحتملة قبل أن يمرروها عبر خوارزمية تعلم آلي. وبفضل هذا التعلم، استطاع النظام التنبؤ بأفضل الأشكال التي توزع الإجهادات بشكل متساوٍ، مع القدرة على حمل أحمال ثقيلة.

وباستخدام الطابعة ثلاثية الأبعاد، قام الباحثون بإنشاء هياكل نانوية جديدة، حيث اكتشفوا أنها تستطيع تحمل إجهاد يعادل 2.03 ميغاباسكال لكل متر مكعب لكل كيلوغرام، وهو ما يعادل قوة أعلى خمس مرات من التيتانيوم.

يقول سيرليس: "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تطبيق تعلم الآلة لتحسين المواد المعمارية النانوية، وكنا مندهشين من التحسينات التي تم تحقيقها. لم تقتصر الخوارزمية على محاكاة التصاميم الناجحة من البيانات المدربة فقط، بل تعلمت ما الذي يعمل وما لا يعمل، مما أتاح لها التنبؤ بأشكال هندسية جديدة تماماً."

تخطط الفرق البحثية الآن لتوسيع نطاق المواد الجديدة بحيث يمكن استخدامها في صنع مكونات أكبر، وفي الوقت ذاته، يسعون لتصميم تصاميم أفضل باستخدام نفس العملية. الهدف النهائي هو تصميم مكونات أخف وأقوى للمركبات في المستقبل.

وقال سيرليس: "على سبيل المثال، إذا تم استبدال مكونات مصنوعة من التيتانيوم في الطائرات بهذه المادة، فسيتم توفير 80 لتراً من الوقود سنوياً عن كل كيلوغرام من المادة المستبدلة."

الابتكار الذي قد يغير طريقة بناء الطائرات والسيارات في المستقبل، ويفتح أبواباً جديدة نحو استخدام مواد خفيفة ولكن قوية في العديد من التطبيقات الصناعية.