就像一個不用看琴鍵就能熟練彈奏的鋼琴家，美國加州大學(xué)洛杉磯分校的機械工程師設(shè)計出了一種新的材料，可隨著時間的推移學(xué)習(xí)行為并發(fā)展出它自己的“肌肉記憶”，允許實時適應(yīng)不斷變化的外力。該材料由一個具有可調(diào)梁的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成，能根據(jù)動態(tài)條件改變其形狀和行為。19日發(fā)表在《科學(xué)·機器人》上的這項研究。
領(lǐng)導(dǎo)該研究的加州大學(xué)洛杉磯分校工程學(xué)院機械和航空航天工程教授喬納森·霍普金斯說，這種人工智能材料可對暴露于環(huán)境條件時應(yīng)表現(xiàn)出的行為和特性進行學(xué)習(xí)。例如，當(dāng)材料被放置在飛機機翼中時，它可以學(xué)習(xí)飛行過程中風(fēng)的模式，改變自身機翼的形狀，以提高飛機的效率和機動性；而被注入這種材料的建筑結(jié)構(gòu)還可自我調(diào)整某些區(qū)域的剛度，以提高其在地震或其他自然或人為災(zāi)害期間的整體穩(wěn)定性。
科學(xué)家們利用和調(diào)整了現(xiàn)有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的概念。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)正是驅(qū)動機器學(xué)習(xí)的算法，研究人員在互連系統(tǒng)中開發(fā)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組件的機械等效物。這一機械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由以三角形格子圖案定向的單獨可調(diào)光束組成。每根梁都具有音圈、應(yīng)變片和撓曲件，使梁能夠改變其長度，實時適應(yīng)不斷變化的環(huán)境，并與系統(tǒng)中的其他梁相互作用。
然后，優(yōu)化算法通過從每個應(yīng)變儀獲取數(shù)據(jù)并確定剛度值的組合來控制整個系統(tǒng)。為了檢查應(yīng)變儀監(jiān)控系統(tǒng)的有效性，研究團隊還使用了在系統(tǒng)輸出節(jié)點上訓(xùn)練的相機。
該系統(tǒng)的早期原型在施加力的輸入和機械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的輸出之間表現(xiàn)滯后，影響了系統(tǒng)的整體性能。該團隊測試了梁中應(yīng)變儀和彎曲的多次迭代以及不同的晶格圖案和厚度，最終設(shè)計方案克服了滯后并在各個方向準(zhǔn)確地分配了施加的力。
目前該系統(tǒng)大約有微波爐那么大，但研究人員計劃簡化機械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，以便在3D晶格內(nèi)以微尺度制造數(shù)千個網(wǎng)絡(luò)，以用于實際材料應(yīng)用。
總編輯圈點
一種材料為什么會自我學(xué)習(xí)？這就要靠人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其賦予了這種新材料智能和自適應(yīng)的特性。其實在近年大熱的機器學(xué)習(xí)中，利用到的也正是相同基本原理。未來，除了在車輛和建筑材料中使用這種新材料外，還可以將其用于戰(zhàn)場，如整合到裝甲中，從而實現(xiàn)對沖擊波的偏轉(zhuǎn)；或用于醫(yī)療領(lǐng)域，聲學(xué)成像技術(shù)亦將因此得到長足發(fā)展。
