加州大學(xué)洛杉磯分校的機(jī)械工程師們創(chuàng)造了一種新的材料，它可以隨著時(shí)間的推移學(xué)習(xí)行為，并發(fā)展出自己的"肌肉記憶"，允許實(shí)時(shí)適應(yīng)不斷變化的外力，就像鋼琴家不用看琴鍵就能學(xué)會(huì)彈奏他們的樂(lè)器，或者籃球運(yùn)動(dòng)員投入無(wú)數(shù)時(shí)間后來(lái)投擲一個(gè)看似毫不費(fèi)力的跳投。
資料來(lái)源：加州大學(xué)洛杉磯分校的靈活研究小組
這種材料是由一個(gè)帶有可調(diào)諧梁的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)成的，使其能夠根據(jù)動(dòng)態(tài)環(huán)境改變其形狀和行為。這項(xiàng)研究的結(jié)果最近發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》雜志上，它對(duì)建筑物的建造、飛機(jī)的開(kāi)發(fā)和成像技術(shù)等方面都有影響。
領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的加州大學(xué)洛杉磯分校塞繆里工程學(xué)院的機(jī)械和航空航天工程教授喬納森-霍普金斯說(shuō)："這項(xiàng)研究引入并展示了一種人工智能材料，它可以在增加暴露于環(huán)境條件下學(xué)習(xí)表現(xiàn)出理想的行為和特性。用于機(jī)器學(xué)習(xí)的相同基礎(chǔ)原則被用來(lái)賦予這種材料的智能和適應(yīng)性。"
例如，當(dāng)這種材料用于飛機(jī)機(jī)翼時(shí)，它可以學(xué)習(xí)根據(jù)飛行過(guò)程中的風(fēng)向變形機(jī)翼的形狀，以提高飛機(jī)的燃油效率和操作穩(wěn)定性。這種材料也可以在建筑結(jié)構(gòu)的某些區(qū)域自我調(diào)整硬度，以便在地震或其他自然或人為災(zāi)害中提高整體穩(wěn)定性。
研究人員通過(guò)使用和修改現(xiàn)有人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的概念，在一個(gè)相互連接的系統(tǒng)中創(chuàng)建了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）組件的機(jī)械等價(jià)物，ANN是驅(qū)動(dòng)機(jī)器學(xué)習(xí)的算法。該團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)造，即機(jī)械神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（MNN），是由以三角格子模式排列的單獨(dú)可調(diào)整的梁組成的。每根橫梁都配備了音圈、應(yīng)變片和撓性裝置，使其能夠改變長(zhǎng)度，實(shí)時(shí)適應(yīng)其不斷變化的環(huán)境，并與系統(tǒng)中的其他橫梁互動(dòng)。
資料來(lái)源：加州大學(xué)洛杉磯分校的靈活研究小組
音圈的名字來(lái)自于最初在揚(yáng)聲器中用于將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置，它可以實(shí)現(xiàn)微小的壓縮或膨脹，以響應(yīng)施加于梁上的新力。應(yīng)變片負(fù)責(zé)從梁的運(yùn)動(dòng)中收集數(shù)據(jù)，用于控制學(xué)習(xí)行為的算法，撓性體充當(dāng)了可移動(dòng)梁之間的柔性接頭，以連接系統(tǒng)。
然后，一個(gè)優(yōu)化算法通過(guò)從每個(gè)應(yīng)變片中獲取數(shù)據(jù)并確定剛性值的組合來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)，以控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)如何適應(yīng)施加的力。
為了檢查應(yīng)變片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的有效性，研究小組還使用了在系統(tǒng)的輸出節(jié)點(diǎn)上訓(xùn)練的攝像機(jī)。
該系統(tǒng)的早期原型在應(yīng)用力的輸入和MNN響應(yīng)的輸出之間表現(xiàn)出滯后，這影響了系統(tǒng)的整體性能。該團(tuán)隊(duì)測(cè)試了梁上的應(yīng)變片和撓性片的多次迭代，以及不同的晶格模式和厚度，然后實(shí)現(xiàn)了他們公布的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)設(shè)法克服了滯后性，并在所有方向上準(zhǔn)確地分配應(yīng)用力。
"確定[網(wǎng)絡(luò)]學(xué)習(xí)失敗的原因?qū)τ诶斫馊绾卧O(shè)計(jì)成功學(xué)習(xí)的MNN很重要，"研究人員分享了他們?cè)谶^(guò)去五年中如何通過(guò)試驗(yàn)和錯(cuò)誤解決這個(gè)問(wèn)題。
目前，該系統(tǒng)大約有一個(gè)微波爐大小，但研究人員計(jì)劃簡(jiǎn)化MNN設(shè)計(jì)，以便在三維晶格內(nèi)的微觀尺度上制造成千上萬(wàn)的網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)際材料應(yīng)用。除了在車(chē)輛和建筑材料中使用這種材料之外，研究人員建議MNNs也可以被納入防護(hù)服以抵御沖擊波，或者被納入聲學(xué)成像技術(shù)以利用聲波。
