Yapay Zeka, elektrik üreten yeni seramiklerin araştırılmasını kolaylaştırıyor

Mekanik stres altında elektrik üreten seramik malzemeleri keşfetmek için normalde sıkıcı bir deneme yanılma süreci gerekir. Piezoelektrik seramikler olarak bilinen bu değerli yeni nesil malzemeler, sensörler gibi küçük elektronik cihazlara güç sağlayan pillerin yerini alabilir. Araştırma sürecini kolaylaştırmak için Penn State’teki malzeme bilimi araştırmacıları tarafından yönetilen bir ekip, bu malzemeleri ortaya çıkarmak için mevcut bir yapay zeka (AI) modelini insan uzmanlığıyla birleştiren yeni bir çerçeve tanıttı. Yeni yaklaşımı test etmek için araştırmacılar yeni bir piezoelektrik kompozit geliştirdiler ve bunu titreşimleri veya hareketleri elektriğe dönüştüren bir enerji toplayıcıya dahil ettiler.

Yeni yaklaşım, yayınlanan bir makalede ayrıntılarıyla anlatılıyor. Doğa İletişimibir yapay zeka aracının, araştırmacıların seçilen kompozitleri uygulamalı deneyler yoluyla test etmeden önce değerlendirdiği olası malzeme kompozitlerini tanımladığı üç aşamalı bir araştırma sürecinden oluşur. Araştırmacılar, onlarca yıldır daha önce yayınlanmış araştırmalardan elde edilen kalıpları analiz etmek ve yeni materyal kompozisyonlarının bir listesini oluşturmak için geniş bir dil modelini harekete geçirdi.

Malzeme bilimi ve mühendisliği yardımcı doçenti Wesley Reinhart, “Onlarca yıllık bilimsel makaleleri okuyan ve anında umut verici yeni malzemeler önerebilen bir yapay zeka asistanınız olduğunu hayal edin” dedi. “Aslında bizim yarattığımız şey buydu, ancak bilim adamlarının bu önerileri gerçek dünya teknolojilerine dönüştürmek için gereken kritik fizik, kimya ve mühendislik muhakemesini sağlamasıyla.”

Malzeme bilimi ve mühendisliği alanında doktora öğrencisi ve çalışmanın ilk yazarı Aman Nanda’ya göre yapay zekanın deney için gelecek vaat eden adayları belirlemek amacıyla kullanılması, araştırmacıları uygulamalar için materyalleri doğrulama ve optimize etmeye daha fazla odaklama konusunda serbest bırakıyor.

Aday listesinden daha güçlü çıktıya

Olası piezoelektrik malzemelerin bir listesini oluşturduktan sonra araştırmacılar, KNN-BNKZT-SCZ olarak kısaltılan potasyum sodyum niyobat bazlı bir bileşime odaklanmaya karar verdiler. Kompozitin piezoelektrik yük sabiti newton başına yaklaşık 440 pikokulombtur, bu da geleneksel potasyum sodyum niyobat bazlı malzemelere göre aynı miktarda hareket veya titreşimle kabaca üç kat daha fazla elektrik çıkışı üretebileceği anlamına gelir.

Araştırmacılar, seramik içindeki tanecikleri hizalayarak elektriksel özelliklerini en üst düzeye çıkaran bir süreç olan kristalografik dokulandırma yoluyla malzemenin performansını daha da geliştirdiler. Dokulu malzeme, 160°C’ye (320°F) kadar yüksek sıcaklıktaki ortamlarda çalışma yeteneğini korurken, Newton başına kabaca 620 pikokulombluk daha da yüksek bir elektrik yükü sabitine ulaştı. Araştırmacılar, mekanik titreşimden kaynaklanan artan voltajın, malzemenin performansını mevcut malzemelerle rekabetçi hale getirdiğini söyledi.

Makalenin ortak yazarı ve mühendislik bilimi ve mekanik profesörü Michael Lanagan, “Bu çalışma, yapay zekanın bilim adamlarının yerini almak yerine onlarla işbirliği yaptığında en güçlü olduğunu gösteriyor” dedi. “Yapay zeka programı, muazzam miktardaki bilimsel literatürdeki kalıpları belirleme konusunda mükemmel; ancak başarılı malzeme keşfi hâlâ kimyanın, kristal yapıların, işlemenin ve karakterizasyonun derinlemesine anlaşılmasını gerektiriyor. Bu ortaklık, dokulandırma stratejisinin geliştirilmesine önemli ölçüde yardımcı oldu ve bu da, newton başına 440’tan 620 pikokulomb’a önemli bir gelişme gösterdi.”

Seramiğin bir cihaza yerleştirilmesi

Malzemenin pratik potansiyelini göstermek için araştırmacılar, KNN-BNKZT-SCZ’yi mekanik ve manyetik enerjiyi kullanılabilir elektrik gücüne dönüştürmek üzere tasarlanmış bir manyeto-mekanik-elektrik enerji toplayıcıya dahil etti. Tipik olarak kablosuz sensörlere güç vermek için kullanılan cihaz, santimetreküp başına yaklaşık 705 mikrowatt’lık bir güç yoğunluğuna ulaşarak benzer sistemlerden ve malzemenin dokulu olmayan muadilinden daha iyi performans gösterdi.

Malzeme bilimi ve mühendisliği araştırma profesörü ve çalışmanın ilgili yazarı Bed Poudel, “Olağanüstü bir malzeme geliştirmek yalnızca ilk adımdır; gerçek değeri, işlevsel bir cihazda güvenilir performansın gösterilmesinde yatmaktadır” dedi. “Bu çalışmayı özellikle heyecan verici kılan şey, malzemeyi işlevsel bir cihazda doğrulamış olmamızdır. Bu bize, yapay zeka destekli keşfin, pratik uygulamalar için yüksek performanslı malzemelerin geliştirilmesini hızlandırabileceğine dair güven veriyor.”