Ingenieros diseñan materiales dinámicos utilizando inteligencia artificial

Los materiales diseñados, conocidos como redes neuronales mecánicas, son capaces de responder a las condiciones ajustando la rigidez de sus vigas.

The mechanical neural network (MNN) designed by UCLA mechanical engineers is merely a starting point for developing materials with AI capabilities.
The mechanical neural network (MNN) designed by UCLA mechanical engineers is merely a starting point for developing materials with AI capabilities.

Los ingenieros de UCLA han diseñado un material que puede adaptarse a las condiciones cambiantes.

El material consta de haces sintonizables que pueden ajustar dinámicamente su comportamiento para adaptarse a los cambios en su entorno, incluidos «niveles crecientes de daño interno, escenarios de fijación variables y cargas externas fluctuantes», según un artículo publicado en Science Robotics.

El estudio experimental sienta las bases para los materiales de IA que se pueden aplicar en la construcción de edificios, aviones y tecnologías de imagen, señalaron los autores.

“Esta investigación presenta y demuestra un material inteligente artificial que puede aprender a exhibir los comportamientos y propiedades deseados al aumentar la exposición a las condiciones ambientales”, dijo el profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial Jonathan Hopkins de la Escuela de Ingeniería UCLA Samueli, quien dirigió la investigación. “Los mismos principios fundamentales que se utilizan en el aprendizaje automático se utilizan para dar a este material sus propiedades inteligentes y adaptativas”.

Características

El material se puede comparar con la forma en que las redes neuronales artificiales (los algoritmos que impulsan el aprendizaje automático) ajustan sus pesos. Las «redes neuronales mecánicas» (MNN) del material son capaces de aprender a ajustar la rigidez de sus haces constituyentes, explicaron los autores.

Los haces individuales de los MNN están organizados en un patrón de celosía triangular. Cada haz cuenta con una bobina de voz, medidores de tensión y flexiones. Estas características “permiten que el haz cambie su longitud, se adapte a su entorno cambiante en tiempo real e interactúe con otros haces en el sistema”, señalaron los investigadores.

En un ejemplo, los investigadores describen cómo se podría usar el material en las alas de los aviones. El material podría aprender a transformar la forma de las alas para adaptarse a los patrones del viento durante un vuelo como una forma de mejorar la eficiencia y la maniobrabilidad. Señalaron que también es concebible que el material pueda ayudar a mejorar la rigidez y la estabilidad general en aplicaciones de infraestructura, donde los terremotos o los desastres naturales y provocados por el hombre representan un riesgo.

La bobina de voz se utiliza para iniciar una compresión o expansión afinada en respuesta a las fuerzas aplicadas en el haz. El medidor de tensión recopila datos del movimiento del haz utilizado en el algoritmo para controlar el comportamiento de aprendizaje. Las flexiones conectan las vigas móviles al sistema.

El sistema está además respaldado por un algoritmo de optimización que regula el sistema. Aprovecha los datos de las galgas extensométricas para determinar una configuración de valores de rigidez que controlará la red, explicaron los autores. Se colocaron cámaras en los nodos de salida del sistema para validar las acciones realizadas por el sistema monitoreado por galgas extensométricas.

El sistema tiene aproximadamente el tamaño de un horno de microondas, pero los investigadores planean simplificar el diseño de MNN para que miles de redes puedan fabricarse a microescala dentro de redes 3D para aplicaciones prácticas de materiales.

Otras aplicaciones sugeridas para el uso de MNN incluyen la incorporación en una armadura para desviar las ondas de choque, así como en tecnologías de imágenes acústicas para aprovechar las ondas de sonido.


Fuente:

Descubren material termoeléctrico eficiente, estable y ecológico

El calor residual es una fuente prometedora de conservación y reutilización de energía, mediante la conversión de este calor en electricidad, un proceso llamado conversión termoeléctrica. Los dispositivos de conversión termoeléctrica disponibles comercialmente se sintetizan usando metales raros. Si bien estos son bastante eficientes, son costosos y, en la mayoría de los casos, utilizan materiales tóxicos. Ambos factores han llevado a que estos convertidores tengan un uso limitado. Una de las alternativas son los materiales termoeléctricos basados ​​en óxidos, pero el principal inconveniente que presentan es la falta de pruebas de su estabilidad a altas temperaturas.

Un equipo dirigido por el profesor Hiromichi Ohta del Instituto de Investigación de Ciencias Electrónicas de la Universidad de Hokkaido ha sintetizado un convertidor termoeléctrico de óxido de cobalto y bario que es reproduciblemente estable y eficiente a temperaturas de hasta 600 °C. Los hallazgos del equipo se publicaron en la revista ACS Applied Materials & Interfaces.

La conversión termoeléctrica está impulsada por el efecto Seebeck: cuando hay una diferencia de temperatura en un material conductor, se genera una corriente eléctrica. Sin embargo, la eficiencia de la conversión termoeléctrica depende de una cifra denominada figura termoeléctrica de mérito ZT. Históricamente, los convertidores basados ​​en óxido tenían un ZT bajo, pero investigaciones recientes han revelado muchos candidatos que tienen un ZT alto, pero su estabilidad a altas temperaturas no estaba bien documentada.

El grupo de Hiromichi Ohta ha estado trabajando en películas de óxido de cobalto en capas durante más de dos décadas. En este estudio, el equipo buscó examinar la estabilidad térmica y química de estas películas, así como medir sus valores de ZT, a altas temperaturas. Probaron películas de óxido de cobalto con capas de sodio, calcio, estroncio o bario, analizando su estructura, resistividad y conductividad térmica.

Descubrieron que, de las cuatro variantes, la película en capas de óxido de cobalto y bario conservaba su estabilidad en términos de integridad estructural y resistividad eléctrica a temperaturas de hasta 600 °C. En comparación, las películas de óxido de cobalto de sodio y calcio solo fueron estables hasta 350 °C, y la película de óxido de cobalto de estroncio fue estable hasta 450 °C. La ZT de la película de óxido de cobalto y bario aumentó con la temperatura, alcanzando ~0,55 a 600 °C, comparable con algunos convertidores termoeléctricos disponibles comercialmente.

«Nuestro estudio ha demostrado que las películas de óxido de cobalto y bario serían excelentes candidatas para dispositivos de conversión termoeléctrica de alta temperatura”, dijo Hiromichi Ohta.

Fuente original: www.phys.org

Por: Hokkaido University