就像一個不用看琴鍵就能熟練彈奏的鋼琴家，美國加州大學洛杉磯分校的機械工程師設計出了一種新的材料，可隨著時間的推移學習行為并發(fā)展出它自己的“肌肉記憶”，允許實時適應不斷變化的外力。該材料由一個具有可調梁的結構系統(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·機器人》上的這項研究，將在建筑、飛機和成像技術等方面具有重要應用。
領導該研究的加州大學洛杉磯分校工程學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)境條件時應表現(xiàn)出的行為和特性進行學習。例如，當材料被放置在飛機機翼中時，它可以學習飛行過程中風的模式，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構還可自我調整某些區(qū)域的剛度，以提高其在地震或其他自然或人為災害期間的整體穩(wěn)定性。
科學家們利用和調整了現(xiàn)有人工神經(jīng)網(wǎng)絡的概念。人工神經(jīng)網(wǎng)絡正是驅動機器學習的算法，研究人員在互連系統(tǒng)中開發(fā)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡組件的機械等效物。這一機械神經(jīng)網(wǎng)絡由以三角形格子圖案定向的單獨可調光束組成。每根梁都具有音圈、應變片和撓曲件，使梁能夠改變其長度，實時適應不斷變化的環(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)絡響應的輸出之間表現(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，最終設計方案克服了滯后并在各個方向準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)絡設計，以便在3D晶格內以微尺度制造數(shù)千個網(wǎng)絡，以用于實際材料應用。
總編輯圈點
一種材料為什么會自我學習?這就要靠人工神經(jīng)網(wǎng)絡，其賦予了這種新材料智能和自適應的特性。其實在近年大熱的機器學習中，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;或用于醫(yī)療領域，聲學成像技術亦將因此得到長足發(fā)展。(科技日報記者 張夢然)
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