ПНИПУ: ИИ научился создавать материалы будущего

Создание костных имплантатов нового поколения, легких авиационных конструкций или жаропрочных лопаток турбин — все эти задачи объединяет одна фундаментальная проблема: как совместить в одном материале противоречивые свойства. Ученые Пермского Политеха нашли решение — они разработали искусственный интеллект, который умеет самостоятельно проектировать новые материалы, не опираясь на готовые шаблоны.

Об этом "Газете.Ru" сообщили в пресс-службе образовательного учреждения.

Ключ к созданию уникальных материалов — в их внутренней архитектуре, то есть микроструктуре. Но подобрать оптимальную трехмерную конфигурацию вручную практически невозможно: число возможных комбинаций элементов исчисляется миллиардами.

Исследователи Пермского Политеха создали первую в мире трехмерную версию известной архитектуры искусственного интеллекта StyleGAN2, которая ранее применялась для генерации реалистичных изображений. Теперь алгоритм научился работать не с плоскими картинками, а с объемными микроструктурами материалов.

В основе системы лежит генеративно-состязательная сеть (GAN) — две нейросети, работающие как художник и критик. Первая предлагает варианты новых структур, вторая оценивает их реалистичность и работоспособность. В процессе взаимодействия они обучаются создавать все более совершенные решения.

Для обучения нейросети использовали библиотеку из 5000 моделей пористых материалов — одних из самых сложных для проектирования. Система усвоила закономерности распределения твёрдых и пустотных областей, способы соединения элементов и геометрию внутренних каналов.

"На этом этапе формируется набор структур, в которых невозможно улучшить оба параметра одновременно: если увеличить прочность — возрастает плотность, и наоборот.

Такие решения — самые ценные, ведь они представляют собой идеальные компромиссы между противоположными требованиями", — объяснил заведующий лабораторией "Механика биосовместимых материалов и устройств" ПНИПУ кандидат физико-математических наук Михаил Ташкинов.

"Нейросеть не просто комбинирует известные образцы, а изобретает новые. Причем делает это осмысленно — все варианты автоматически располагаются в цифровом пространстве дизайна, где похожие структуры находятся рядом. Это позволяет инженеру быстро сравнивать и выбирать лучшие решения", — добавил инженер-исследователь Евгений Кононов.

Тестирование показало, что система способна создавать микроструктуры, превосходящие по характеристикам обучающую выборку. При одинаковой плотности они оказались на 15–20 % жестче, чем существующие аналоги.

Такие материалы могут стать основой для нового поколения биосовместимых имплантатов, где требуется идеальное сочетание пористости и механической устойчивости, а также для легких и прочных авиационных и космических конструкций, где каждый грамм имеет значение.