Искусственный интеллект ускорил поиск материалов для авиации и космоса
Ученые из Сколтеха и МФТИ при помощи машинного обучения заметно ускорили поиск кандидатов металлических сплавов, из которых экспериментаторы отбирают материалы для ракетостроения и других высокотехнологичных отраслей.
Сейчас устойчивые сплавы ищут методами, которые сопряжены с риском упустить перспективный материал либо требуют запредельно долгих вычислений. Новый же метод, представленный в журнале npj Computational Materials, использует машинное обучение, чтобы ускорить перебор вариантов и сделать его более исчерпывающим. Исследование поддержано грантом РНФ.
Чистые металлы обычно уступают по своим свойствам сплавам из нескольких металлов и других элементов вроде углерода или кремния. Меняя состав и соотношение элементов в сплаве, можно регулировать его характеристики: прочность, ковкость, температуру плавления, устойчивость к коррозии, электрическое сопротивление и многие другие. Так материаловеды ищут сплавы с более совершенными свойствами для авиации, космических технологий, машиностроения и других областей: электротехники, строительства, медицинских инструментов и проч.
Однако новый сплав попадает в инструментарий инженера-проектировщика лишь тогда, когда его свойства измерены в ходе эксперимента. Проблема в том, что экспериментальный синтез и проверка материалов-кандидатов в лаборатории — это долгий и дорогостоящий процесс. Более того, даже моделирование сплавов на компьютере требует огромных затрат времени и ресурсов и потому не позволяет перебрать много вариантов.
«Потенциальных кандидатов очень много, потому что много переменных: какие химические элементы в составе сплава, в каких соотношениях, какая кристаллическая решетка и так далее, — рассказал один из авторов статьи, заведующий Лабораторией методов искусственного интеллекта для разработки материалов Центра ИИ Сколтеха Александр Шапеев. — Скажем, в простейшей системе двух элементов, ниобия и вольфрама, если рассмотреть набор из 20 атомов в ячейке кристаллической решетки, вам уже придется моделировать более миллиона различных комбинаций, 2 в степени 20, без учета симметрии».
Используемые для моделирования и отбора перспективных сплавов эволюционные алгоритмы, графовые нейросети, метод роя частиц и другие подходы хорошо работают при точечном поиске кандидатов, без перебора всех возможных комбинаций. Но в этом случае появляется риск упустить материал с выдающимися характеристиками.
«Эти подходы опираются на фундаментальное физическое описание процесса, прямые квантово-механические расчеты, — пояснила магистрант программы „Науки о данных“ Сколтеха и выпускница МФТИ Виктория Зинькович, первый автор научного исследования. — Это очень точные, но сложные и долгие расчеты. Мы же используем машинно-обучаемые потенциалы, которые, напротив, отличаются высокой скоростью вычислений и позволяют перебрать все возможные комбинации до некоторой границы отсечения, например до 20 атомов в суперъячейке. А значит, мы не пропустим хороших кандидатов».
Подход прошел валидацию на двух системах. Во-первых, тугоплавкие металлы: ванадий, молибден, ниобий, тантал, вольфрам. Во-вторых, медь и благородные металлы: золото, серебро, платина, палладий. В каждой системе рассмотрели по три сочетания атомов. Например, сразу все металлы из второго перечня; или медь, палладий и платина; или только медь и платина. Пять элементов в составе каждого перечня подобраны так, что для них характерна одна и та же кристаллическая решетка. Это упрощает расчеты, поскольку заранее известно, что и у сплава будет та же решетка.
Исследователи применили свой алгоритм поиска к каждому из шести рассмотренных сочетаний атомов — по три сочетания на благородные и на тугоплавкие металлы. Алгоритм ориентирован на оптимизацию физических величин, называемых энергией и энтальпией образования вещества, которые указывают на то, какие сплавы устойчивы, а какие подвержены распаду, то есть самопроизвольному переходу в иную, более стабильную конфигурацию.
О результативности алгоритма можно судить, сравнив результаты поиска с наполнением стандартной базы сплавов, которой пользуются материаловеды в отрасли. Авторы исследования обнаружили 268 новых сплавов, устойчивых при нулевой температуре, которых в базе не было. Так, в системе «ниобий — молибден — вольфрам» подход на основе машинно-обучаемых потенциалов выдал 12 кандидатов, при этом в базе не фигурирует ни одного трехкомпонентного сплава с таким составом.
Теперь свойства новых сплавов можно уточнять и проверять более прицельным моделированием и экспериментами, чтобы установить, какие из этих материалов перспективны для практических применений. «Использование компьютерного моделирования в науке о материалах уже послужило началом для открытия множества новых промышленно значимых сплавов, имеющих спектр применений от деталей кузовов автомобилей до баков для хранения водорода в ракетном топливе», — добавила Зинькович. Тем временем сами авторы нового алгоритма, по словам ученой, планируют применить свой подход к сплавам с другими составами и кристаллическими решетками.
Telegram 
Дзен 
VK Ученые давно сделали вывод о том, что в поздней Античности монеты перестали представлять собой цену как валюта, однако не было понятно когда именно это произошло. Новое исследование погребения римского воина из бельгийского форта Оденбург показало, в какой момент монеты стали цениться просто весом металла в кошельке.
Долгое время считалось, что гигантские стрекозообразные, жившие 300 миллионов лет назад, стали такими из‑за высокого содержания кислорода. Тогда в атмосфере его было около 30% вместо сегодняшних 21%. Учёные полагали, что крупные насекомые задохнулись бы в нашей атмосфере. Но оказалось, что это не так.
Ученые обнаружили, что дубы выработали эффективную стратегию, позволяющую им защищаться от пожирающих молодую листву гусениц — если предыдущий весной деревья сильно пострадали от их нашествия, то на следующий год почки распустятся на три дня позже. Трехдневной задержки достаточно, чтобы резко снизить выживаемость гусениц.
Поставщик элементов окололунной станции попытался сдать клиентам изделия, подвергшиеся коррозии еще до начала его монтажа. Об этом заявил новый глава NASA Джаред Айзекман. Защищая свою позицию, поставщик сообщил, что ранее он поставлял модули с коррозией для МКС, но они все равно до сих пор работают. NASA использует скандал для отказа от алогичного проекта Lunar Gateway, обитаемой космической станции на окололунной орбите.
Шведские биологи отследили миграцию обыкновенного соловья с помощью миниатюрных датчиков-рюкзаков. Как оказалось, при пересечении Сахары и Аравийской пустыни птицы летят только по ночам и не ищут пищу. Соловьи преодолевают пустыню без дозаправки, полагаясь лишь на накопленный заранее жир.
Вода из другой звездной системы оказалась не похожа на земную: в составе третьего межзвездного объекта нашли рекордное содержание дейтерия — тяжелого изотопа водорода. Этот химический след указывает на необычные условия формирования системы, где возникла комета, и меняет представления о сценариях рождения далеких планетных систем.
В последнее время пуски с российских северных космодромов осуществляют без предварительного уведомления, чего не было в прошлом. Вероятно, дело в недавно упомянутых главой «Роскосмоса» атаках на Плесецк во время пуска. Сегодняшний запуск обеспечил вывод на орбиту космических аппаратов военного назначения.
Четыре человека, летящие к Луне, столкнулись с целым рядом мелких неприятностей — от низкой температуры в начале работы до поломки мочевыводящей системы туалета на вторые сутки и необходимости взамен пользоваться пакетами. К счастью, пока самые крупные сложности удалось компенсировать. Но все они вместе могут сдвинуть ситуацию к решению, о котором Naked Science уже говорил в нашем видеоподкасте о миссии: не исключено, что при высадке астронавтов на Луне их корабль состыкуют со Starship не на окололунной, а уже на околоземной орбите.
Когда международная экспедиционная группа, исследующая море Уэдделла в Антарктиде на борту ледокола «Поларштерн», попыталась укрыться от шторма, ученые и экипаж судна удивились внезапному появлению острова, не обозначенного ни на одной морской карте.
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