Een coating die objecten in het zicht kan verbergen, of een implantaat dat zich precies zo gedraagt als botweefsel. Deze bijzondere objecten zijn al gemaakt van 'metamaterialen'. Onderzoekers van de TU Delft hebben nu een AI-tool ontwikkeld die niet alleen dit soort bijzondere materialen kan ontdekken, maar ze ook maakbaar en duurzaam ontwerpt. Dit biedt de mogelijkheid producten met ongekende eigenschappen te maken. Ze publiceerden hun bevindingen in Advanced Materials.
De eigenschappen van normale materialen, zoals stijfheid en flexibiliteit, worden bepaald door de moleculaire samenstelling van het materiaal, maar de eigenschappen van metamaterialen worden bepaald door de geometrie van de structuur waaruit ze zijn opgebouwd. Onderzoekers ontwerpen deze structuren digitaal en laten ze vervolgens 3D-printen. De resulterende metamaterialen kunnen onnatuurlijke en extreme eigenschappen vertonen. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld metamaterialen ontworpen die, ondanks dat ze solide zijn, zich gedragen als een vloeistof.
"Traditioneel gebruiken ontwerpers de materialen die ze tot hun beschikking hebben om een nieuw apparaat of een machine te ontwerpen. Het probleem daarbij is dat de beschikbare materiaaleigenschappen beperkt zijn. Sommige eigenschappen die we graag willen hebben, bestaan gewoon niet in de natuur. Onze aanpak is: vertel ons wat je als eigenschappen wilt hebben en wij ontwikkelen een geschikt materiaal met die eigenschappen. Wat je dan krijgt, is niet echt een materiaal, maar iets dat het midden houdt tussen een structuur en een materiaal, een metamateriaal", zegt hoogleraar Amir Zadpoor van de afdeling Biomechanical Engineering.
Omgekeerd ontwerp
Zo'n ontdekkingsproces van materialen vereist het oplossen van een zogenaamd omgekeerd probleem: het probleem van het vinden van de geometrie die de gewenste eigenschappen oplevert. Deze inverse problemen zijn berucht vanwege hun moeilijkheid, en dat is waar AI om de hoek komt kijken. Onderzoekers van de TU Delft hebben deep learning-modellen ontwikkeld die deze inverse problemen oplossen. "Zelfs als inverse problemen in het verleden werden opgelost, waren ze beperkt door de vereenvoudigende aanname dat de kleinschalige geometrie kan worden gemaakt van een oneindig aantal bouwstenen. Het probleem met die aanname is dat metamaterialen meestal gemaakt worden door 3D-printen en echte 3D-printers een beperkte resolutie hebben, waardoor het aantal bouwstenen dat in een apparaat past beperkt is", zegt eerste auteur dr. Helda Pahlavani.