캐나다 토론토대를 중심으로 한 연구팀이, 기계학습을 통해 가벼우면서도 높은 강도를 자랑하는 나노구조 소재를 설계했다고 밝혔는데, 이 새로운 구조의 소재를 비행기나 우주선 기체에 사용하면, 강도를 유지하면서 연비를 크게 개선시킬 수 있을 것으로 전망되고 있다.
「나노 구조 소재는, 삼각형으로 다리를 만드는 등 고성능의 형상을 나노 스케일의 사이즈로 조합해, 「미세할수록 강하다」라고 하는 효과를 이용해, 모든 재료중에서 가장 높은 강도 대 중량비와 강성 대 중량비를 실현합니다」라고 연구팀은 말한다.
연구팀에 의하면, 표준적인 격자 형상이나 기하학적 형상은, 예각으로 교차 부분이나 날카로운 각을 가지는 경향이 있어, 응력 집중의 문제로 이어진다고 하고, 이로 인해 소재는 부담이 강하게 가해지는 부분부터 붕괴되어 전체적인 강도가 손상.
이 문제를 해결하던 연구팀은, 해결에는 기계학습이 최적이라고 생각하고 한국과학기술원(KAIST) 연구팀과 협력해 개량소재 설계에 착수했다는 것.
via : https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410651
새로운 나노구조를 설계하면서, KAIST 팀은 다목적 베이즈 최적화(MBO) 기계학습 알고리즘을 채택했는데, 이 알고리즘은 시뮬레이션 된 형상에서 학습하고 응력 분산을 강화하여, 강도 대 중량비 향상에 최적인 나노 스케일의 형상을 예측한다.
이렇게 얻어진 결과를 연구팀이 토론토대 유체기술연구응용센터(CRAFT)에 있는 나노스케일 3D프린터로 출력함으로써, 초고비 강도와 확장성을 겸비한 경량 탄소 나노격자 소재 프로토타입이 완성됐다.
연구팀이 만든 나노 구조 소재는, 비눗방울 위에 떠오를 정도로 가벼우면서 티타늄의 약 5배에 해당하는 강도를 구현했다는 것.
연구팀은 "나노 구조 소재의 최적화에 기계 학습이 적용된 것은 이번이 처음이며, 그 개선에는 놀랐습니다. 기계학습 모델은 학습 데이터에서 목적에 부합하는 형상을 찾아낼 뿐만 아니라, 형상에 어떤 변경을 가하면 잘 되고, 어떤 변경을 가하지 않으면 잘 되지 않는지 학습해 완전히 새로운 격자 형상을 예측할 수 있게 된 것입니다"라고 코멘트.
신소재는 특히 항공기나 헬리콥터, 우주선 등의 초경량 부품에 응용할 수 있으며, 연구팀에 따르면, 비행기에 사용되는 티타늄 부품을 신소재로 대체하면 1kg의 소재를 대체할 때마다, 연간 80리터의 연료를 절약할 수 있을 것으로 전망된다고 한다.
연구팀을 이끈 토론토대 토빈 필레터 교수는 "우리의 다음 단계는 이러한 재료 설계의 스케일업을 더욱 개선하고 비용 효율적인 거시적 스케일의 구성 요소를 구현하는 데 집중하는 것입니다. 우리는 앞으로도 높은 강도와 강성을 유지하면서 재료 구조를 더욱 저밀도화하는 새로운 설계를 계속 모색할 것입니다"라고 말하고 있다.
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