Materiali artificiali con caratteristiche e funzionalità innovative, ottenuti grazie alla stampa in 3D e - ora - anche attraverso una progettazione che utilizza algoritmi di Intelligenza Artificiale, con notevoli miglioramenti rispetto ai risultati ottenuti dal design umano.

Ecco una delle frontiere più promettenti nello studio di nuovi materiali, esplorata ad esempio da un team di ricercatori del Centro di Complessità e Biosistemi (CC&B) dell’Università degli Studi di Milano con il progetto Metamech e uno studio pubblicato di recente su Nature Communications.

Il contesto

La progettazione di materiali con proprietà meccaniche e funzionalità sempre migliori è una grande sfida scientifica e tecnologica, con un enorme potenziale per applicazioni ingegneristiche.

Un approccio rivoluzionario degli ultimi anni è stato quello di concentrarsi su materiali strutturati su macroscala, noti come metamateriali meccanici, una nuova classe di materiali artificiali progettati per avere proprietà eccezionali e risposte difficili da trovare nei materiali convenzionali. 

Gli attuatori a metamateriali meccanici ad alta efficienza, protagonisti anche della ricerca del team della Statale, consentono operazioni di input-output predeterminate sfruttando le caratteristiche architettoniche codificate all’interno di un singolo elemento stampato in 3D, eliminando così la necessità di assemblare diversi componenti strutturali.

Si tratta, ad esempio, di materiali in grado di reagire agli stimoli in modo programmato.

Per questa loro peculiarità, gli attuatori sono correntemente utilizzati in molte applicazioni, dai macchinari ai robot.

Non solo: la progettazione dei metamateriali è stata stimolata anche dai recenti progressi delle tecnologie di produzione digitale come la stampa 3D, che rimuove molti dei vincoli di scala e geometria a basso costo.

Il passo avanti

Nei metamateriali le cellule costitutive degli attuatori lavorano insieme in un ordine ben definito per ottenere un movimento macroscopico desiderato. Le attuali strategie di progettazione per le strutture e le macchine di metamateriali si basano essenzialmente su operazioni manuali, ma i ricercatori di CC&B hanno dimostrato che l’AI può migliorare notevolmente il processo di progettazione.

I ricercatori hanno “combinato diversi algoritmi di calcolo per essere in grado di ottimizzare la risposta dell’attuatore e poi confrontato l’efficienza con gli attuatori progettati dall’uomo. Il design delle macchine batte sempre il design umano”, racconta ad esempio Silvia Bonfanti, assegnista del dipartimento di Fisica e prima autrice dell'articolo. “Abbiamo anche testato che le strutture progettate possono essere stampate in 3D e abbiamo confermato la loro alta efficienza” nota poi Roberto Guerra, ricercatore del dipartimento di Fisica e co-autore dell'articolo. 

Un progetto finanziato dall’ERC

Un altro aspetto molto importante, quello del trasferimento tecnologico dei risultati raggiunti , è messo in luce da Stefano Zapperi, professore di Fisica teorica della materia al Dipartimento di Fisica "Aldo Pontremoli" che ha coordinato lo studio: “L’algoritmo che abbiamo ideato ha applicazioni pratiche per le interazioni uomo-macchina, ad esempio per i componenti interattivi/rispondenti e stiamo quindi portando avanti una strategia di commercializzazione grazie al supporto dell’European Research Council”.

Il progetto infatti è stato finanziato dal proof of concept grant METADESIGN dell’ERC.

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