具有熱輻射性能的超材料可以把多余熱量“打包”傳遞到外界，幫助物體自動(dòng)降溫。但這類人造材料的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，往往依賴于長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試錯(cuò)。日前，上海交大團(tuán)隊(duì)在熱輻射超材料領(lǐng)域取得重大原創(chuàng)突破，通過構(gòu)建熱輻射超材料逆向設(shè)計(jì)AI模型，突破現(xiàn)有材料設(shè)計(jì)“上限”，大批量生成熱輻射超材料候選設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)“優(yōu)中選優(yōu)”。相關(guān)成果7月2日發(fā)表在《自然》雜志上。

 Nature論文首頁截圖。

創(chuàng)制逆向設(shè)計(jì)AI模型，批量設(shè)計(jì)熱輻射超材料

不同于自然界已有材料，超材料是一種具有特殊性質(zhì)的人造材料，可廣泛應(yīng)用于成像、通信、能源、航空航天等。熱輻射是自然界能量傳遞的基本形式，比如曬太陽會(huì)感覺到暖和，其實(shí)是皮膚在接收太陽的熱輻射。

具有熱輻射性能的超材料通過向外輻射熱量來實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)控和紅外信號(hào)調(diào)控。它可以把多余熱量“打包”傳遞到外界，穿上這種材料制作的“外衣”就像穿了一件降溫神器。熱輻射超材料在零能耗輻射冷卻、電子器件熱調(diào)控、人體熱管理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

但熱輻射超材料的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力。微結(jié)構(gòu)是超材料突破自然材料限制、具備特殊功能的核心，超材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料組分設(shè)計(jì)組合起來有上百萬種可能性。金屬基復(fù)合材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、張江高等研究院未來材料創(chuàng)制中心教授周涵表示，熱輻射超材料的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于缺乏普適性方法，即缺乏多材料、多結(jié)構(gòu)、多維度、多參數(shù)的全自動(dòng)設(shè)計(jì)范式及通用方法，缺乏一種可以實(shí)現(xiàn)三維光子結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計(jì)的通用方法，這是光子材料與超材料領(lǐng)域多年未解的難題。

多年來，科學(xué)家們一直在探索如何才能又快又好地設(shè)計(jì)出性能符合需求的熱輻射超材料。

經(jīng)過億萬年物競(jìng)天擇，大自然中的生物進(jìn)化出了許多具有超常光學(xué)和熱學(xué)特性的三維拓?fù)錁?gòu)型，可以通過熱輻射的方式進(jìn)行自身體溫調(diào)控。例如火山口附近生存著一種能夠耐受約70攝氏度高溫的天牛。它們的表面呈金色，體表覆蓋的絨毛微結(jié)構(gòu)為三棱柱狀，斜邊還分布著球形小凸起。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)組合使得天牛在可見波段和紅外波段具備高光學(xué)反射率，實(shí)現(xiàn)體表降溫，從而適應(yīng)火山口附近的高溫環(huán)境。

研究團(tuán)隊(duì)從自然界生物體中的三維拓?fù)錁?gòu)型中獲取靈感，提煉出了多種三維結(jié)構(gòu)單元和空間排列方式，并通過首創(chuàng)的“三平面建模法”巧妙實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維結(jié)構(gòu)單元的精準(zhǔn)描述，建立了龐大的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集?！白罱K我們建立了包含1500種以上熱輻射超材料的數(shù)據(jù)庫，性能幾乎達(dá)到了非常理想的狀態(tài)。AI可以自動(dòng)搜索、發(fā)現(xiàn)材料的結(jié)構(gòu)，材料的組分，提供了無限的可能性。”周涵表示，結(jié)合多種材料體系，團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練AI模型，讓熱輻射超材料的設(shè)計(jì)無需依賴于經(jīng)驗(yàn)的“小修小補(bǔ)”。

該深度學(xué)習(xí)模型可根據(jù)所需光譜特性快速精準(zhǔn)生成相應(yīng)超材料的多種設(shè)計(jì)方案，全方位提升設(shè)計(jì)維度、速度和性能?！八惴ń⒁院?，只要輸入我們想要的光譜要求，系統(tǒng)自動(dòng)匹配出材料的結(jié)構(gòu)以及材料的組分等一系列最優(yōu)方案。”周涵表示，所創(chuàng)制的熱輻射超材料可廣泛應(yīng)用于零能耗輻射冷卻、建筑節(jié)能降溫、航天熱控等領(lǐng)域。

多類型材料實(shí)測(cè)驗(yàn)證，展現(xiàn)優(yōu)異自降溫效果

目前科學(xué)研究范式已進(jìn)入人工智能驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)密集型范式，研究團(tuán)隊(duì)將人工智能和熱輻射超材料研究交叉融合。論文第一作者、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、張江高等研究院博士生肖誠禹本科學(xué)習(xí)金屬材料專業(yè)，大二期間接觸算法知識(shí)。他告訴澎湃科技，材料設(shè)計(jì)過程類似于參數(shù)優(yōu)化，而AI是實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化的最好方案。利用數(shù)據(jù)庫代替人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)，材料設(shè)計(jì)范圍更廣，否則如果研究人員想不到材料的結(jié)構(gòu)形式，就無法設(shè)計(jì)出特殊的熱輻射超材料。

課題組研發(fā)的材料展示（左三為上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、張江高等研究院未來材料創(chuàng)制中心教授周涵、左四為上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、張江高等研究院博士生肖誠禹）。

為驗(yàn)證AI模型的實(shí)際效能，研究團(tuán)隊(duì)以人力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了4種由AI針對(duì)特定應(yīng)用而設(shè)計(jì)的熱輻射超材料，包括寬帶熱輻射超材料、單波段選擇性及雙波段選擇性熱輻射超材料等。實(shí)際應(yīng)用形式涵蓋柔性薄膜、涂料、貼片等多種形式。

在多種戶外場(chǎng)景實(shí)測(cè)中，AI模型設(shè)計(jì)的熱輻射超材料均展現(xiàn)出優(yōu)異的自降溫效果，不同類型的材料可適用于不同應(yīng)用環(huán)境，就像根據(jù)應(yīng)用環(huán)境為物體披上了不同的“自動(dòng)降溫外套”。在晴朗的正午，寬波段超材料下表面溫度相比環(huán)境溫度降低5.9℃；在多云條件下，單波段選擇性超材料降溫性能更顯著，下表面溫度相比環(huán)境溫度降低4.6℃；在城市建筑群模擬環(huán)境中，單波段選擇性超材料下表面溫度分別比寬帶超材料和商用白漆涂覆表面低2.5℃和5.3℃。

將雙波段選擇性超材料涂覆在模型屋頂，其表面溫度比商用白漆涂覆表面低5.6°C，比灰色涂料涂覆表面低21°C，炙熱的屋頂瞬間“涼爽”下來。這些結(jié)果表明AI模型設(shè)計(jì)的材料在建筑節(jié)能、城市熱島效應(yīng)緩解等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為未來打造“零能耗降溫”城市提供了創(chuàng)新解決方案。

AI模型不僅能“發(fā)明”新材料，還能從中挑選出那些更適合大規(guī)模使用、成本更低的超材料。以典型的雙波段選擇性超材料為例，該材料僅需簡(jiǎn)單的溶液法就能在室溫下制備，以涂料的形式直接應(yīng)用在磚墻、金屬、塑料和玻璃等常見物體表面。能耗模擬顯示，在中低緯度地區(qū)，將該材料應(yīng)用于建筑屋頂可實(shí)現(xiàn)75 MJ/平方米的理論節(jié)能效果，相當(dāng)于節(jié)省20度電。此外，由于材料成本低、應(yīng)用形式靈活，這種物美價(jià)廉的“降溫能手”可在建筑外墻、隨身衣物、戶外設(shè)施、電子產(chǎn)品等領(lǐng)域大顯身手。

《自然》雜志審稿人表示，該研究展示了關(guān)于利用機(jī)器學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證寬帶超材料的杰出研究。作者將先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于熱輻射超材料設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證展現(xiàn)出卓越性能，這一創(chuàng)新成果令人高度贊賞。這項(xiàng)研究標(biāo)志著機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的超材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，該研究扎實(shí)而全面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人信服且具有重要影響。