一種新方法可以?xún)H基于有關(guān)外部條件的數(shù)據(jù)來(lái)提供有關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)、空隙和裂縫的詳細(xì)信息。

也許你無(wú)法從封面上分辨出一本書(shū)，但根據(jù)麻省理工學(xué)院的研究人員的說(shuō)法，你現(xiàn)在可以對(duì)各種材料做等效的事情，從飛機(jī)部件到醫(yī)療植入物。他們的新方法允許工程師通過(guò)觀察材料表面的特性來(lái)弄清楚內(nèi)部發(fā)生了什么。

該團(tuán)隊(duì)使用一種稱(chēng)為深度學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)比較有關(guān)材料外部力場(chǎng)和相應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大量模擬數(shù)據(jù)，并用它來(lái)生成一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從表面數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)部進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)。

研究結(jié)果發(fā)表在《先進(jìn)材料》雜志上，由博士生Zhenze Yang和土木與環(huán)境工程教授Markus Buehler撰寫(xiě)。

“這是工程中一個(gè)非常普遍的問(wèn)題，”Buehler解釋說(shuō)?！叭绻阌幸粔K材料——也許是汽車(chē)上的一扇門(mén)或一架飛機(jī)——你想知道這種材料里面有什么，你可以通過(guò)拍攝圖像和計(jì)算你的變形來(lái)測(cè)量表面的應(yīng)變。但你不能真正看到材料的內(nèi)部。你能做到這一點(diǎn)的方法是切割它，然后看看里面是否有任何損壞。

他說(shuō)，也可以使用X射線和其他技術(shù)，但這些技術(shù)往往很昂貴，需要笨重的設(shè)備。“所以，我們所做的基本上是提出一個(gè)問(wèn)題：我們能否開(kāi)發(fā)一種人工智能算法，可以查看表面發(fā)生的事情，我們可以很容易地看到使用顯微鏡或拍照，或者只是測(cè)量材料表面的東西，然后試圖弄清楚內(nèi)部到底發(fā)生了什么？”該內(nèi)部信息可能包括材料中的任何損壞、裂縫或應(yīng)力，或其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)。

他補(bǔ)充說(shuō)，同樣的問(wèn)題也適用于生物組織。“那里有疾病，或者組織中有某種生長(zhǎng)或變化嗎？”目的是開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠以完全非侵入性的方式回答此類(lèi)問(wèn)題的系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)涉及解決復(fù)雜性，包括“許多此類(lèi)問(wèn)題有多種解決方案”，Buehler說(shuō)。例如，許多不同的內(nèi)部配置可能表現(xiàn)出相同的表面屬性。為了處理這種歧義，“我們創(chuàng)造了一些方法，基本上可以為我們提供所有的可能性，所有選項(xiàng)，這些方法可能會(huì)導(dǎo)致這種特定的[表面]場(chǎng)景。

他們開(kāi)發(fā)的技術(shù)涉及使用大量有關(guān)表面測(cè)量和與之相關(guān)的內(nèi)部屬性的數(shù)據(jù)來(lái)訓(xùn)練人工智能模型。這不僅包括均勻的材料，還包括不同材料的組合材料?！耙恍┬嘛w機(jī)是由復(fù)合材料制成的，所以它們有不同相位的故意設(shè)計(jì)，”Buehler說(shuō)?！爱?dāng)然，在生物學(xué)中也是如此，任何一種生物材料都將由多種成分制成，它們具有非常不同的特性，例如在骨骼中，你有非常柔軟的蛋白質(zhì)，然后你有非常堅(jiān)硬的礦物質(zhì)。

他說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)甚至適用于那些復(fù)雜性尚未完全理解的材料?！皩?duì)于復(fù)雜的生物組織，我們并不確切了解它的行為，但我們可以測(cè)量這種行為。我們沒(méi)有理論，但如果我們收集了足夠的數(shù)據(jù)，我們就可以訓(xùn)練模型。

楊說(shuō)，他們開(kāi)發(fā)的方法廣泛適用。“它不僅限于固體力學(xué)問(wèn)題，還可以應(yīng)用于不同的工程學(xué)科，如流體動(dòng)力學(xué)和其他類(lèi)型的學(xué)科。Buehler補(bǔ)充說(shuō)，它可以用于確定各種特性，不僅僅是應(yīng)力和應(yīng)變，還有流體場(chǎng)或磁場(chǎng)，例如聚變反應(yīng)堆內(nèi)的磁場(chǎng)。它“非常普遍，不僅適用于不同的材料，也適用于不同的學(xué)科。

楊說(shuō)，他初開(kāi)始考慮這種方法是在研究一種材料上的數(shù)據(jù)時(shí)，他使用的部分圖像是模糊的，他想知道如何“填補(bǔ)模糊區(qū)域中缺失數(shù)據(jù)的空白”?！拔覀?nèi)绾位謴?fù)這些丟失的信息？”他想知道。進(jìn)一步閱讀，他發(fā)現(xiàn)這是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題的例子，稱(chēng)為反向問(wèn)題，試圖恢復(fù)丟失的信息。

開(kāi)發(fā)該方法涉及一個(gè)迭代過(guò)程，讓模型做出初步預(yù)測(cè)，將其與相關(guān)材料的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后進(jìn)一步微調(diào)模型以匹配該信息。在材料足夠了解能夠計(jì)算真實(shí)內(nèi)部特性的情況下，對(duì)所得模型進(jìn)行了測(cè)試，并且新方法的預(yù)測(cè)與這些計(jì)算特性非常匹配。

訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括表面的圖像，以及各種其他類(lèi)型的表面屬性測(cè)量，包括應(yīng)力、電場(chǎng)和磁場(chǎng)。在許多情況下，研究人員使用基于對(duì)給定材料底層結(jié)構(gòu)的理解的模擬數(shù)據(jù)。即使一種新材料具有許多未知的特性，該方法仍然可以生成一個(gè)足夠好的近似值，為工程師提供有關(guān)如何進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量的一般方向的指導(dǎo)。

作為如何應(yīng)用這種方法的一個(gè)例子，Buehler指出，今天，飛機(jī)經(jīng)常通過(guò)用昂貴的方法（如X射線）測(cè)試一些代表性區(qū)域來(lái)檢查，因?yàn)闇y(cè)試整個(gè)飛機(jī)是不切實(shí)際的?！斑@是一種不同的方法，你可以用一種更便宜的方式來(lái)收集數(shù)據(jù)和進(jìn)行預(yù)測(cè)，”Buehler說(shuō)。“然后你可以決定你想去哪里看，也許使用更昂貴的設(shè)備來(lái)測(cè)試它。

首先，他希望這種方法通過(guò)GitHub網(wǎng)站免費(fèi)提供給任何人使用，主要用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，例如用于軟機(jī)器人應(yīng)用的測(cè)試材料。

對(duì)于這樣的材料，他說(shuō)，“我們可以測(cè)量表面上的東西，但我們不知道材料內(nèi)部很多時(shí)候發(fā)生了什么，因?yàn)樗怯伤z或蛋白質(zhì)或生物材料制成的，用于致動(dòng)器，并且沒(méi)有理論。因此，這是一個(gè)研究人員可以使用我們的技術(shù)來(lái)預(yù)測(cè)內(nèi)部情況的領(lǐng)域，并可能設(shè)計(jì)出更好的夾持器或更好的復(fù)合材料，“他補(bǔ)充道。

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)陸軍研究辦公室、空軍科學(xué)研究辦公室、谷歌云平臺(tái)和麻省理工學(xué)院情報(bào)探索的支持。