愛迪生式試錯法是一種歷史悠久的方法，但其發(fā)現(xiàn)過程緩慢且需要大量人力資源，這對清潔能源、環(huán)境可持續(xù)性、電子和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等急需新技術(shù)的發(fā)展造成了阻礙。

美國圣母大學(xué)航空航天與機(jī)械工程副教授張艷良表示：“通常發(fā)現(xiàn)一種新材料需要10到20年的時間。我相信，如果我們能夠?qū)⑦@個時間縮短到不到一年，甚至幾個月，將會改變新材料發(fā)現(xiàn)和制造的游戲規(guī)則。”

而現(xiàn)在，張教授已經(jīng)做到了這一點，他創(chuàng)造了一種獨特的3D打印方法，能夠以傳統(tǒng)制造無法媲美的方式制造材料。這種新工藝使用單個打印噴嘴混合多種霧化納米材料墨水，并在打印過程中動態(tài)改變墨水的混合比例。這種名為高通量組合打?。℉TCP）的方法可以控制打印材料的3D結(jié)構(gòu)和局部成分，并以微尺度空間分辨率制造具有梯度成分和特性的材料。

他的研究成果最近在《自然》雜志上發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9

基于氣溶膠的HTCP方法適用于各種金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、聚合物和生物材料，其應(yīng)用范圍極為廣泛。它能夠生成組合材料，每個材料“庫”中包含數(shù)千種獨特的成分。

圖 1：HTCP的設(shè)計策略，圖片來自：《自然》

張教授表示，將組合材料的打印與高通量表征相結(jié)合，可以顯著加速材料的發(fā)現(xiàn)。他的團(tuán)隊已經(jīng)利用這種方法鑒定出具有出色熱電性能的半導(dǎo)體材料，這對于能量收集和冷卻應(yīng)用具有前景。

圖2：具有梯度成分的組合材料的快速打印，圖片來自：《自然》

除了加速發(fā)現(xiàn)，HTCP還能夠生產(chǎn)功能分級材料，這些材料逐漸從硬質(zhì)過渡到軟質(zhì)。這使得它們在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中特別有用，可以橋接柔軟的組織與堅硬的可穿戴和可植入設(shè)備之間的差異。

圖3：具有廣泛材料選擇的HTCP，圖片來自：《自然》

在下一階段的研究中，張教授和先進(jìn)制造與能源實驗室的學(xué)生計劃將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能指導(dǎo)策略應(yīng)用于HTCP的數(shù)據(jù)豐富特性，以加快廣泛的材料發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。

圖4：HTCP可實現(xiàn)組合摻雜、功能分級、化學(xué)反應(yīng)和成分微結(jié)構(gòu)，圖片來自：《自然》

張教授表示：“未來，我希望能夠為材料發(fā)現(xiàn)和設(shè)備制造開發(fā)一種自主和自動化的過程，這樣實驗室的學(xué)生就可以自由地專注于高層次的思考?！?br />
以上是張教授和他的團(tuán)隊通過創(chuàng)新的HTCP方法取得的重要成果。這種方法不僅能夠縮短新材料發(fā)現(xiàn)的時間，還能夠制造具有多樣化成分和特性的材料，為清潔能源、環(huán)境可持續(xù)性、電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新技術(shù)發(fā)展帶來了巨大的潛力。

通過將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能應(yīng)用于HTCP數(shù)據(jù)，他們計劃進(jìn)一步加快材料發(fā)現(xiàn)的速度，為未來的科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新提供更多可能性。

愛迪生式試錯法是一種歷史悠久的方法，但其發(fā)現(xiàn)過程緩慢且需要大量人力資源，這對清潔能源、環(huán)境可持續(xù)性、電子和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等急需新技術(shù)的發(fā)展造成了阻礙。

美國圣母大學(xué)航空航天與機(jī)械工程副教授張艷良表示：“通常發(fā)現(xiàn)一種新材料需要10到20年的時間。我相信，如果我們能夠?qū)⑦@個時間縮短到不到一年，甚至幾個月，將會改變新材料發(fā)現(xiàn)和制造的游戲規(guī)則。”

而現(xiàn)在，張教授已經(jīng)做到了這一點，他創(chuàng)造了一種獨特的3D打印方法，能夠以傳統(tǒng)制造無法媲美的方式制造材料。這種新工藝使用單個打印噴嘴混合多種霧化納米材料墨水，并在打印過程中動態(tài)改變墨水的混合比例。這種名為高通量組合打?。℉TCP）的方法可以控制打印材料的3D結(jié)構(gòu)和局部成分，并以微尺度空間分辨率制造具有梯度成分和特性的材料。

他的研究成果最近在《自然》雜志上發(fā)表。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-023-05898-9

基于氣溶膠的HTCP方法適用于各種金屬、半導(dǎo)體、電介質(zhì)、聚合物和生物材料，其應(yīng)用范圍極為廣泛。它能夠生成組合材料，每個材料“庫”中包含數(shù)千種獨特的成分。

圖 1：HTCP的設(shè)計策略，圖片來自：《自然》

張教授表示，將組合材料的打印與高通量表征相結(jié)合，可以顯著加速材料的發(fā)現(xiàn)。他的團(tuán)隊已經(jīng)利用這種方法鑒定出具有出色熱電性能的半導(dǎo)體材料，這對于能量收集和冷卻應(yīng)用具有前景。

圖2：具有梯度成分的組合材料的快速打印，圖片來自：《自然》

除了加速發(fā)現(xiàn)，HTCP還能夠生產(chǎn)功能分級材料，這些材料逐漸從硬質(zhì)過渡到軟質(zhì)。這使得它們在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中特別有用，可以橋接柔軟的組織與堅硬的可穿戴和可植入設(shè)備之間的差異。

圖3：具有廣泛材料選擇的HTCP，圖片來自：《自然》

在下一階段的研究中，張教授和先進(jìn)制造與能源實驗室的學(xué)生計劃將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能指導(dǎo)策略應(yīng)用于HTCP的數(shù)據(jù)豐富特性，以加快廣泛的材料發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。

圖4：HTCP可實現(xiàn)組合摻雜、功能分級、化學(xué)反應(yīng)和成分微結(jié)構(gòu)，圖片來自：《自然》

張教授表示：“未來，我希望能夠為材料發(fā)現(xiàn)和設(shè)備制造開發(fā)一種自主和自動化的過程，這樣實驗室的學(xué)生就可以自由地專注于高層次的思考?！?br />
以上是張教授和他的團(tuán)隊通過創(chuàng)新的HTCP方法取得的重要成果。這種方法不僅能夠縮短新材料發(fā)現(xiàn)的時間，還能夠制造具有多樣化成分和特性的材料，為清潔能源、環(huán)境可持續(xù)性、電子和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的新技術(shù)發(fā)展帶來了巨大的潛力。

通過將機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能應(yīng)用于HTCP數(shù)據(jù)，他們計劃進(jìn)一步加快材料發(fā)現(xiàn)的速度，為未來的科學(xué)研究和技術(shù)創(chuàng)新提供更多可能性。