Un nuovo tipo di materiale puo apprendere e migliorare la sua capacita di affrontare forze impreviste grazie a una struttura reticolare unica con connessioni di rigidita variabile, come descritto in un nuovo articolo da me e dai miei colleghi.
Il nuovo materiale e un tipo di materiale architettonico, che trae le sue proprieta principalmente dalla geometria e dai tratti specifici del suo design piuttosto che da cio di cui e composto. Prendi ad esempio chiusure in tessuto a strappo come il velcro. Non importa se e fatto di cotone, plastica o qualsiasi altra sostanza. Finche un lato e un tessuto con ganci rigidi e l’altro lato ha anelli morbidi, il materiale avra le proprieta appiccicose del velcro.
I miei colleghi ed io abbiamo basato l’architettura del nostro nuovo materiale su quella di una rete neurale artificiale: strati di nodi interconnessi che possono imparare a svolgere compiti modificando l’importanza o il peso che attribuiscono a ciascuna connessione. Abbiamo ipotizzato che un reticolo meccanico con nodi fisici potesse essere addestrato ad assumere determinate proprieta meccaniche regolando la rigidita di ciascuna connessione.
Per scoprire se un reticolo meccanico fosse in grado di adottare e mantenere nuove proprieta, come assumere una nuova forma o cambiare la forza direzionale, abbiamo iniziato costruendo un modello al computer. Abbiamo quindi selezionato la forma desiderata per il materiale e le forze di input e un algoritmo informatico ha messo a punto le tensioni delle connessioni in modo che le forze di input producessero la forma desiderata. Abbiamo svolto questa formazione su 200 diverse strutture reticolari e abbiamo scoperto che un reticolo triangolare era il migliore per ottenere tutte le forme che abbiamo testato.
Una volta che le numerose connessioni sono sintonizzate per ottenere una serie di compiti, il materiale continuera a reagire nel modo desiderato. La formazione e – in un certo senso – ricordata nella struttura del materiale stesso.
Abbiamo quindi costruito un prototipo fisico di reticolo con molle elettromeccaniche regolabili disposte a reticolo triangolare. Il prototipo e costituito da connessioni da 6 pollici ed e lungo circa 2 piedi e largo 1½ piedi. E ha funzionato. Quando il reticolo e l’algoritmo hanno lavorato insieme, il materiale e stato in grado di apprendere e cambiare forma in modi particolari se sottoposto a forze diverse. Chiamiamo questo nuovo materiale una rete neurale meccanica.
Perche importa
Oltre ad alcuni tessuti viventi, pochissimi materiali possono imparare a gestire meglio carichi imprevisti. Immagina un’ala di aereo che improvvisamente cattura una raffica di vento e viene forzata in una direzione imprevista. L’ala non puo cambiare il suo design per essere piu forte in quella direzione.
Il materiale del prototipo del reticolo che abbiamo progettato puo adattarsi a condizioni mutevoli o sconosciute. In un’ala, ad esempio, questi cambiamenti potrebbero essere l’accumulo di danni interni, cambiamenti nel modo in cui l’ala e attaccata a un’imbarcazione o carichi esterni fluttuanti. Ogni volta che un’ala composta da una rete neurale meccanica sperimentava uno di questi scenari, poteva rafforzare e ammorbidire le sue connessioni per mantenere gli attributi desiderati come la forza direzionale. Nel tempo, attraverso successivi aggiustamenti effettuati dall’algoritmo, l’ala adotta e mantiene nuove proprieta, aggiungendo ogni comportamento al resto come una sorta di memoria muscolare.
Questo tipo di materiale potrebbe avere applicazioni di vasta portata per la longevita e l’efficienza delle strutture costruite. Non solo un’ala fatta di un materiale di rete neurale meccanica potrebbe essere piu forte, ma potrebbe anche essere addestrata a trasformarsi in forme che massimizzano l’efficienza del carburante in risposta alle mutevoli condizioni intorno ad essa.
Cosa ancora non si sa
Finora, il nostro team ha lavorato solo con reticoli 2D. Ma usando la modellazione al computer, prevediamo che i reticoli 3D avrebbero una capacita molto maggiore di apprendimento e adattamento. Questo aumento e dovuto al fatto che una struttura 3D potrebbe avere decine di volte piu connessioni, o molle, che non si intersecano tra loro. Tuttavia, i meccanismi che abbiamo utilizzato nel nostro primo modello sono troppo complessi per essere supportati in una grande struttura 3D.
Qual e il prossimo
Il materiale che io e i miei colleghi abbiamo creato e un proof of concept e mostra il potenziale delle reti neurali meccaniche. Ma per portare questa idea nel mondo reale sara necessario capire come rendere i singoli pezzi piu piccoli e con precise proprieta di flessione e tensione.
Ci auguriamo che la nuova ricerca nella produzione di materiali su scala micrometrica, cosi come il lavoro su nuovi materiali con rigidita regolabile, portino a progressi che rendano potenti reti neurali meccaniche intelligenti con elementi su scala micrometrica e connessioni 3D dense una realta onnipresente nel prossimo futuro.
