Sztuczna inteligencja przyspiesza projektowanie tkanin pochłaniających dźwięk

Międzynarodowy zespół wykorzystał sztuczną inteligencję do projektowania tkanin pochłaniających dźwięk. Metoda przyspiesza poszukiwanie obiecujących splotów, których właściwości trzeba jeszcze sprawdzić eksperymentalnie.

.O tym, jak tkanina pochłania dźwięk, współdecyduje sposób przeplatania nici. Ich układ tworzy drobne szczeliny, przez które przemieszcza się powietrze. Zmiana splotu może więc zmienić właściwości akustyczne materiału, nawet jeśli na pierwszy rzut oka różnice wydają się niewielkie.

Problemem jest liczba możliwych rozwiązań. Już wzór obejmujący siatkę 10 na 10 daje tak wiele kombinacji, że sprawdzanie każdej z osobna byłoby niepraktyczne. Tymczasem szczegółowa symulacja akustyczna pojedynczego projektu może trwać ponad godzinę.

Metodę usprawniającą te poszukiwania opracowali naukowcy z École Centrale de Lyon/CNRS, instytutu WPI-AIMR na Tohoku University oraz RIKEN iTHEMS. Wyniki opisali w czasopiśmie „Communications Materials”.

Mapa splotów zamiast sprawdzania każdej kombinacji

.Badacze zaczęli od wygenerowania wzorów spełniających podstawowe wymagania dotyczące możliwości wykonania i spójności struktury tkaniny. Następnie podzielili je według czterech rodzajów symetrii, uwzględniając między innymi obroty i odbicia lustrzane.

System AI uporządkował projekty na mapie, umieszczając podobne struktury blisko siebie. Dla wybranej części wzorów zespół przeprowadził szczegółowe symulacje. Ich wyniki posłużyły do wytrenowania modelu przewidującego właściwości kolejnych wariantów.

Po zakończeniu treningu model mógł oceniać proponowane sploty i wspomagać komputerowe poszukiwanie rozwiązań w czasie krótszym niż minuta. Ten wynik dotyczy etapu wykorzystania wytrenowanego modelu, a nie całego procesu przygotowania metody.

Podobnie jak w badaniach nad wykorzystaniem AI do projektowania układów kwantowych, algorytmy pomagają tu przeszukiwać rozległy zbiór możliwych rozwiązań.

Wybrane projekty sprawdzono następnie w osobnych, szczegółowych symulacjach. Według zespołu przewidywane właściwości pochłaniania dźwięku były zgodne z wynikami tych obliczeń z rozbieżnością nieprzekraczającą 5 proc.

Symetria wpływa na przepływ powietrza

.Znaczenie symetrii wykracza w tym przypadku poza wygląd materiału. Od rozmieszczenia skrzyżowań nici zależy przebieg drobnych kanałów powietrznych wewnątrz tkaniny.

Niektóre sploty tworzą bardziej kręte drogi, sprzyjające rozpraszaniu energii dźwięku wskutek tarcia i wymiany ciepła. Inne pozostawiają prostsze, bardziej otwarte przejścia. Znaczenie ma również wielkość najmniejszego fragmentu wzoru, który powtarza się w materiale.

Symetria staje się w ten sposób parametrem projektowym. Pozwala uporządkować poszukiwania i powiązać geometrię splotu z przewidywanym zachowaniem akustycznym.

Dotychczasowa weryfikacja miała jednak charakter obliczeniowy. Zespół planuje wykonać wybrane prototypy tkanin o przestrzennej strukturze i zmierzyć ich pochłanianie dźwięku. Dalsze prace mają objąć materiały wielowarstwowe, większe powtarzalne wzory oraz różnice wynikające z procesu produkcji.

Szymon Ślubowski