KI für sicherere Velohelme und bessere Schuhsohlen

Velohelme, die die Energie eines Aufpralls absorbieren, Laufschuhe, die jedem Schritt einen zusätzlichen Schub geben, oder Implantate, die die Eigenschaften von Knochen imitieren. Metamaterialien machen solche Anwendungen möglich. Ihre innere Struktur ist das Ergebnis eines sorgfältigen Designprozesses, wonach 3D-​Drucker die generierten Strukturen mit optimierten Eigenschaften herstellen können. Forschende unter der Leitung von Dennis Kochmann, Professor für Mechanik und Materialforschung am Departement für Maschinenbau und Verfahrenstechnik der ETH Zürich, haben neuartige KI-​Tools entwickelt. Diese umgehen den zeitaufwändigen und auf Intuition basierenden Designprozess von Metamaterialien und sagen stattdessen Strukturen mit aussergewöhnlichen Eigenschaften schnell und automatisiert vorher. Ein Novum ist, dass diese Tools auch für grosse (sogenannte nichtlineare) Belastungen anwendbar sind, zum Beispiel wenn ein Helm bei einem Aufprall grosse Kräfte absorbiert.

Kochmanns Team gehört zu den Pionieren bei der Entwicklung kleiner zellulärer Strukturen (vergleichbar mit dem Gebälk in Fachwerkhäusern), um Metamaterialien mit besonderen Eigenschaften zu erschaffen. «Wir entwerfen zum Beispiel Metamaterialien, die sich wie Flüssigkeiten verhalten: schwer zu komprimieren, aber leicht zu verformen. Oder Metamaterialien, die in alle Richtungen schrumpfen, wenn sie in einer Richtung komprimiert werden», erklärt Kochmann.

Effiziente, optimale Materialgestaltung

Die Gestaltungsmöglichkeiten scheinen endlos. Das volle Potenzial von Metamaterialien hat die Wissenschaft allerdings noch lange nicht ausgeschöpft, da der Designprozess oft auf Erfahrung und Trial-​and-Error beruht. Zudem können kleine Anpassungen in der Struktur zu grossen Veränderungen der Eigenschaften führen.

In ihrer jüngsten Arbeit erkundeten die ETH-​Forschenden mithilfe von KI systematisch die zahlreichen Designs und mechanischen Eigenschaften von zwei Metamaterialarten. Ihre Berechnungstools können auf Knopfdruck optimale Strukturen für gewünschte Verformungen vorhersagen. Hierzu verwendeten die Forschenden grosse Datensätze des Verformungsverhaltens realer Strukturen. Mit diesen trainierten sie ein KI-​Modell, das die Daten nicht nur reproduziert, sondern auch neue Strukturen generieren und optimieren kann. Durch den Einsatz einer Methode, die als «Variational Autoencoder» bekannt ist, lernt die KI die wesentlichen Merkmale einer Struktur aus der grossen Menge an Designparametern und wie sie zu bestimmten Eigenschaften führen. Sie nutzt anschliessend dieses Wissen, um einen Metamaterial-​Entwurf zu erstellen, sobald die Forschenden die gewünschten Eigenschaften und Anforderungen angeben.

Grosse Vorteile für Velohelme und Schuhsohlen

Die ETH-​Wissenschaftler:innen haben ihre KI-​Tools Forschenden auf dem Gebiet der Metamaterialien frei zur Verfügung gestellt. Somit werden sie hoffentlich zum Entwurf vieler neuer und ungewöhnlicher Materialien führen. Die Tools eröffnen neue Wege für die Entwicklung von Schutzausrüstungen wie Velohelmen und für weitere Anwendungen von Metamaterialien von der Medizintechnik bis hin zu weichen Robotern. Sogar Schuhsohlen können so gestaltet werden, dass sie beim Laufen Stösse besser absorbieren oder beim Auftreten einen Schub nach vorne geben. Wird die KI die manuelle Entwicklung von Materialien vollständig ersetzen? «Nein», lacht Kochmann. «Gut eingesetzt kann KI ein hocheffizienter und fleissiger Helfer sein, aber man muss ihr die richtigen Anweisungen geben und sie richtig trainieren – und das erfordert wissenschaftliche Grundlagen und ingenieurwissenschaftliches Knowhow.»

Quelle: ETH