沈涵 科技日?qǐng)?bào)記者 王春

給建筑外表面噴上一種特殊的“涂料”，如同給它披上“自動(dòng)降溫外套”，比商用白漆涂覆表面降低5.3℃。這種神奇的熱輻射超材料由上海交通大學(xué)周涵團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的熱輻射超材料逆向設(shè)計(jì)AI模型來(lái)設(shè)計(jì)。

該模型突破了傳統(tǒng)光學(xué)超材料設(shè)計(jì)依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試錯(cuò)而費(fèi)時(shí)費(fèi)力且只能局部?jī)?yōu)化的局限，能夠根據(jù)所需光譜特性，快速、精準(zhǔn)、大批量地生成相應(yīng)超材料的多種設(shè)計(jì)方案。作為人工智能熱輻射超材料領(lǐng)域的重大原創(chuàng)突破，周涵團(tuán)隊(duì)的這一科研成果已于7月2日晚發(fā)表于《自然》。

構(gòu)建5萬(wàn)組數(shù)據(jù)樣本，給AI模型喂足“學(xué)習(xí)資料”

生活在火山口附近的天牛，其體表覆蓋的絨毛微結(jié)構(gòu)為三棱柱狀，斜邊還分布著球形小凸起，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組合使得天牛在可見(jiàn)波段和紅外波段具備高光學(xué)反射率，實(shí)現(xiàn)體表降溫，從而耐受70℃高溫環(huán)境。不止天牛，大自然中很多生物體都具有超常光學(xué)和熱學(xué)特性的三維拓?fù)錁?gòu)型，研究團(tuán)隊(duì)從中獲得靈感，提煉出多種三維結(jié)構(gòu)單元和空間排列方式，并通過(guò)首創(chuàng)的“三平面建模法”實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維結(jié)構(gòu)單元的精準(zhǔn)描述，建立了擁有5萬(wàn)多組數(shù)據(jù)、涵蓋多種微納尺度結(jié)構(gòu)的“材料－超構(gòu)模型－光譜性能”數(shù)據(jù)庫(kù)。

“我們利用AI僅用3個(gè)月就篩選出了1500多組數(shù)據(jù)，如果用常規(guī)方法先猜可能有效的材料組合和結(jié)構(gòu)組合，再一個(gè)個(gè)去仿真模擬驗(yàn)證性能，需要的時(shí)間就是個(gè)天文數(shù)字。”上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院周涵教授說(shuō)。

基于該數(shù)據(jù)庫(kù)，團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練并構(gòu)建了熱輻射超材料逆向設(shè)計(jì)AI模型。在團(tuán)隊(duì)的設(shè)想中，在該模型中輸入想要的“理想結(jié)果”，比如在某個(gè)波段能高效散熱，在另一個(gè)波段能反射陽(yáng)光，AI就能自動(dòng)去組合材料和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，最終生成出多種適合的超材料體系。

“2021年的時(shí)候我們已經(jīng)做出了一個(gè)AI模型的框架，但因?yàn)樵谶@個(gè)方向上沒(méi)有可借鑒的文獻(xiàn)，之后幾年我們一直在對(duì)這個(gè)模型進(jìn)行修改、打磨文章。”團(tuán)隊(duì)成員之一、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生肖誠(chéng)禹告訴記者，他們?cè)O(shè)定的目標(biāo)不僅僅是設(shè)計(jì)材料，更是要實(shí)現(xiàn)寬波段、多維度、多目標(biāo)的極限優(yōu)化。

經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的前期調(diào)試，團(tuán)隊(duì)終于開(kāi)發(fā)出適配復(fù)雜結(jié)構(gòu)、不同空間排布、多材料體系的AI模型。在模型中輸入光譜需求后，AI就能自動(dòng)生成最優(yōu)材料結(jié)構(gòu)與組合，快速輸出可行的候選方案。“1秒鐘就能生成2000個(gè)設(shè)計(jì)方案。”肖誠(chéng)禹說(shuō)。

多類(lèi)型材料實(shí)測(cè)驗(yàn)證，讓科研走進(jìn)生活

為驗(yàn)證該模型的實(shí)際效能，團(tuán)隊(duì)用模型設(shè)計(jì)了4種針對(duì)特定應(yīng)用的熱輻射超材料，包括寬帶熱輻射超材料、單波段選擇性及雙波段選擇性熱輻射超材料等，分別做成柔性薄膜、貼片、涂料等不同形式，用在多種場(chǎng)景實(shí)測(cè)它們能否真正帶來(lái)“零能耗降溫”。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，無(wú)論是晴天正午，還是多云條件……這些AI設(shè)計(jì)的材料在屋頂、沙漠等不同的應(yīng)用環(huán)境都能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的降溫效果，充分展示了該模型在建筑節(jié)能、城市熱島效應(yīng)緩解等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

值得一提的是，這些材料只需簡(jiǎn)單溶液法即可在室溫制備，以涂料形式噴或刷在屋頂、玻璃、塑料、金屬上即可使用。模擬數(shù)據(jù)顯示，在中低緯度地區(qū)的建筑應(yīng)用中，每平方米屋頂一年可節(jié)約約20度電，為未來(lái)打造“零能耗降溫”城市提供了創(chuàng)新解決方案。