AI per caschi da bici più sicuri e suole di scarpe migliori

Caschi da ciclismo che assorbono l'energia di un impatto, scarpe da corsa che danno una spinta in più a ogni passo o impianti che imitano le proprietà delle ossa. I metamateriali rendono possibili queste applicazioni. La loro struttura interna è il risultato di un attento processo di progettazione, dopo il quale le stampanti 3D possono produrre le strutture generate con proprietà ottimizzate. I ricercatori guidati da Dennis Kochmann, professore di meccanica e ricerca sui materiali presso il Dipartimento di ingegneria meccanica e di processo del Politecnico di Zurigo, hanno sviluppato nuovi strumenti di intelligenza artificiale. Questi strumenti permettono di aggirare il processo di progettazione dei metamateriali, che richiede molto tempo e si basa sull'intuizione, e di prevedere in modo rapido e automatico strutture con proprietà eccezionali. La novità è che questi strumenti possono essere utilizzati anche per carichi elevati (cosiddetti non lineari), ad esempio quando un casco assorbe grandi forze in caso di impatto.

Il team di Kochmann è uno dei pionieri nello sviluppo di piccole strutture cellulari (paragonabili alle travi delle case a graticcio) per creare metamateriali con proprietà speciali. "Per esempio, progettiamo metamateriali che si comportano come liquidi: difficili da comprimere ma facili da deformare. Oppure metamateriali che si restringono in tutte le direzioni quando vengono compressi in una direzione", spiega Kochmann.

Design efficiente e ottimizzato dei materiali

Le possibilità di progettazione sembrano infinite. Tuttavia, la scienza è ancora lontana dal realizzare il pieno potenziale dei metamateriali, poiché il processo di progettazione è spesso basato sull'esperienza e su tentativi ed errori. Inoltre, piccole modifiche alla struttura possono portare a grandi cambiamenti nelle proprietà.

Nel loro ultimo lavoro, i ricercatori dell'ETH hanno utilizzato l'intelligenza artificiale per esplorare sistematicamente i numerosi progetti e le proprietà meccaniche di due tipi di metamateriali. I loro strumenti di calcolo sono in grado di prevedere le strutture ottimali per le deformazioni desiderate con la semplice pressione di un tasto. Per farlo, i ricercatori hanno utilizzato grandi serie di dati sul comportamento di deformazione di strutture reali. Hanno usato questi dati per addestrare un modello di intelligenza artificiale che non solo riproduce i dati, ma può anche generare e ottimizzare nuove strutture. Utilizzando un metodo noto come "autoencoder variazionale", l'intelligenza artificiale apprende le caratteristiche essenziali di una struttura dal gran numero di parametri di progettazione e come questi portino a determinate proprietà. Utilizza quindi queste conoscenze per creare un progetto di metamateriale non appena i ricercatori specificano le proprietà e i requisiti desiderati.

Grandi vantaggi per i caschi da bici e le suole delle scarpe

Gli scienziati dell'ETH hanno messo i loro strumenti di intelligenza artificiale a disposizione dei ricercatori nel campo dei metamateriali. Si spera che questo porti alla progettazione di molti materiali nuovi e insoliti. Gli strumenti aprono nuove strade per lo sviluppo di dispositivi di protezione come i caschi da ciclismo e per altre applicazioni dei metamateriali, dalla tecnologia medica ai robot morbidi. Persino le suole delle scarpe possono essere progettate per assorbire meglio gli urti quando si cammina o per fornire una spinta in avanti quando si calpesta. L'intelligenza artificiale sostituirà completamente lo sviluppo manuale dei materiali? "No", ride Kochmann. "Se usata bene, l'IA può essere un aiuto molto efficiente e laborioso, ma bisogna darle le istruzioni giuste e addestrarla correttamente, e questo richiede basi scientifiche e competenze ingegneristiche".

Fonte: ETH