Искусственный интеллект обучили проектировать материалы с противоречивыми свойствами
Современные вызовы в области высоких технологий — будь то создание костных имплантатов нового поколения, эффективных систем охлаждения двигателей или легких авиационных конструкций — сталкиваются с общей фундаментальной проблемой. Речь идет о необходимости одновременно совместить в одном материале несколько противоречащих друг другу свойств. Например, как создать структуру, которая будет одновременно максимально пористой для прорастания живой ткани, но при этом достаточно прочной, чтобы выдерживать механические нагрузки? Или как создать лопатку турбины, сочетающую максимальную жаропрочность с минимальным весом — ключевое требование для подъемной силы и грузоподъемности самолетов. Ученые Пермского Политеха создали уникальную программу, которая умеет проектировать материалы будущего. В отличие от обычных компьютерных программ, она не просто копирует известные решения, а действительно создает новые структуры. Результаты исследования показали высокую эффективность метода.
Как разработать материал с противоречащими свойствами? Ключ к решению таких сложных задач кроется во внутренней архитектуре материала — его микроструктуре. Однако проектирование оптимальной трехмерной структуры вручную сталкивается с фундаментальной сложностью: количество возможных комбинаций и взаимосвязей между элементами настолько велико, что их анализ традиционными методами становится крайне трудоемким и длительным процессом.
Современные подходы к решению этой проблемы основаны на компьютерном моделировании, но и они имеют существенные ограничения. Наиболее распространенный метод — топологическая оптимизация — работает по принципу «разумного упрощения». Компьютер анализирует виртуальную модель детали, которая изначально представляет собой сплошной массив материала, и вычисляет, в каких областях напряжение минимально. Эти «спокойные» зоны считаются избыточными — подобно тому, как архитектор может убрать лишние перегородки в здании, не снижая его прочности. Система постепенно удаляет такой материал, оставляя только те элементы, которые действительно необходимы для сопротивления нагрузкам.
Такой подход позволяет получить надежную конструкцию, но требует огромных вычислительных мощностей и времени для каждого нового случая. Более современные методы используют базы данных известных материалов и алгоритмы машинного обучения, которые ищут закономерности в уже существующих структурах. Однако такие системы могут предлагать лишь вариации известных решений, не создавая принципиально новых материалов с уникальными свойствами.
Большинство методов работают с двумерными моделями или требуют огромных вычислительных мощностей. Кроме того, они часто генерируют структуры с нарушенной целостностью — например, с «висящими» элементами, которые невозможно воспроизвести в реальности.
Перспективное направление в решении этих проблем — генеративно-состязательные сети (GAN) — это особая архитектура искусственного интеллекта, где две нейросети работают вместе, словно дизайнер и критик. Одна нейросеть (генератор) предлагает новые варианты структур, а вторая (дискриминатор) оценивает, насколько они реалистичны. В результате такой совместной работы система учится создавать все более совершенные структуры.
Ученые Пермского Политеха усовершенствовали метод, создав первую в мире трехмерную версию известной архитектуры StyleGAN2. Если раньше подобные системы работали в основном с плоскими изображениями, то теперь алгоритм научился генерировать сложные объемные структуры. Их ключевое достижение — создание не просто случайных вариаций, а целого «пространства дизайна», где можно плавно менять параметры и получать работоспособные структуры. Статья опубликована в журнале StructuralandMultidisciplinaryOptimization.
Ученые провели первичное обучение нейросети на обширной библиотеке из пяти тысяч моделей пористых материалов — одних из самых сложных в проектировании. В процессе система проанализировала и усвоила фундаментальные принципы их построения — распределение твердых и пустотных областей, варианты соединения внутренних элементов и типичные особенности. Этот этап позволил искусственному интеллекту сформировать базовое понимание внутренней архитектуры образцов.
Для нахождения наилучших решений применяется генетический алгоритм, работающий по принципу естественного отбора. Он последовательно анализирует варианты строений материалов, оценивая их по целевым параметрам — прочности и плотности.
— На этом этапе формируется набор структур, в которых невозможно одновременно улучшить оба показателя: если мы пытаемся увеличить прочность, неизбежно возрастает плотность, и наоборот. Такие результаты считаются предпочтительными, поскольку они предлагают наилучшие возможные компромиссы между противоречивыми требованиями, — рассказывает Михаил Ташкинов, кандидат физико-математических наук, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ.
— Наша нейросеть не просто копирует или смешивает известные образцы, а действительно изобретает. Но главное — она делает это не хаотично. Все созданные варианты система автоматически раскладывает как бы «по полочкам» — в упорядоченное цифровое пространство, где похожие структуры находятся рядом. Это позволяет легко находить и сравнивать разные решения, что раньше было практически невозможным, — рассказывает Евгений Кононов, инженер-исследователь.
Представьте, что вы покупаете машину: нельзя одновременно получить максимальную скорость и минимальный расход топлива. Алгоритм ученых ПНИПУ находит все такие «предельные» варианты. Например, он показывает: «вот самая прочная структура для заданной легкости, а вот самая легкая для заданной прочности». Дальше этого предела улучшить уже ничего нельзя.
Результаты исследования показали высокую эффективность метода. Разработанная система смогла создать трехмерные микроструктуры, которые превзошли по характеристикам материалы из обучающей базы данных. При одинаковой плотности новые конструкции демонстрируют увеличение жесткости на 15-20% по сравнению с существующими аналогами.
Полученные результаты открывают новые возможности для создания современных пористых структур, которые могут применять в высокотехнологичных отраслях промышленности.
Telegram 
Дзен 
VK Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Проблема непереносимости глютена затрагивает до 150 миллионов человек во всем мире. Единственный выход — полностью исключить этот компонент из рациона. Однако существующий безглютеновый хлеб практически не содержит белка и клетчатки, быстро повышает уровень сахара и черствеет. При этом существующие зарубежные рецептуры разработаны под импортное сырье и технологии, что не позволяет применять их к российскому сырью. Ученые Пермского Политеха разработали новые рецептуры безглютенового хлеба и исследовали влияние многокомпонентных мучных композиций и добавок на его качество. Они впервые в России создали смеси, в которых по сравнению с существующими отечественными аналогами в два-три раза больше белка и жиров, а углеводов — на 30-50 процентов меньше.
Паразитические организмы иногда не учитывают, что сами могут оказаться целью паразита более высокого уровня. Сосредотачивая все свои силы на инфицировании и размножении, они остаются беззащитными перед агрессивным специализированным нахлебником.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Интригующие испытания высотного ракетного двигателя Raptor Vacuum для корабля Starship, верхней ступени сверхракеты Илона Маска, парадоксальны. Его работа на уровне моря уже сама по себе загадка. Ведь, по классическим представлениям, высотные двигатели на уровне моря корректно не работают. А сопло RaptorVAC на наземном стенде извергает реактивную струю без всяких признаков нарушения работы. Как такое может быть?
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Исследователи опросили более 60 тысяч испытуемых из разных стран и выяснили: чем больше человек зациклен на себе, тем холоднее он к своему партнеру. Правда, снижение накала страстей не всегда плохо, у этого есть и положительные стороны.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно