Machine learning-enabled constrained multi-objective design of architected materials

计算机科学 微尺度化学 有限元法 人工神经网络 承重 人工智能 材料科学 机械工程 结构工程 工程类 复合材料 数学教育 数学
作者
Bo Peng,Wei Ye,Yu Qin,Jiabao Dai,Yue Li,Aobo Liu,Yun Tian,Liuliu Han,Yufeng Zheng,Peng Wen
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-023-42415-y
摘要

Architected materials that consist of multiple subelements arranged in particular orders can demonstrate a much broader range of properties than their constituent materials. However, the rational design of these materials generally relies on experts' prior knowledge and requires painstaking effort. Here, we present a data-efficient method for the high-dimensional multi-property optimization of 3D-printed architected materials utilizing a machine learning (ML) cycle consisting of the finite element method (FEM) and 3D neural networks. Specifically, we apply our method to orthopedic implant design. Compared to uniform designs, our experience-free method designs microscale heterogeneous architectures with a biocompatible elastic modulus and higher strength. Furthermore, inspired by the knowledge learned from the neural networks, we develop machine-human synergy, adapting the ML-designed architecture to fix a macroscale, irregularly shaped animal bone defect. Such adaptation exhibits 20% higher experimental load-bearing capacity than the uniform design. Thus, our method provides a data-efficient paradigm for the fast and intelligent design of architected materials with tailored mechanical, physical, and chemical properties.
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