3D打印新材料

沈建苗

“一切都要從頭開始，我們要用什么材料來制造產(chǎn)品？”

在位于加利福尼亞州馬里布的HRL實(shí)驗(yàn)室，材料科學(xué)家亨特·馬?。℉unter Martin）及其團(tuán)隊(duì)，將細(xì)如糖粉的灰粉末倒進(jìn)一臺(tái)機(jī)器里。幾小時(shí)內(nèi)，這臺(tái)機(jī)器就可以打印出一塊“小方蛋糕”。粉末配方經(jīng)過了他們精心挑選，細(xì)到原子層面：以鋁元素為主，混有另外一些元素。這臺(tái)機(jī)器是3D金屬打印機(jī)，每次灑出一層粉末，而上面的激光器將每一層焊起來。

HRL的兩家母公司波音和通用汽車，希望為其造型優(yōu)美的新一代飛機(jī)和汽車大批量3D打印精密的金屬部件?？罩锌蛙嚬疽呀?jīng)在商用飛機(jī)上安裝了有史以來第一個(gè)3D打印的金屬部件，連接在機(jī)翼上的支架上。不過馬丁表示，這種技術(shù)受到當(dāng)今金屬粉末質(zhì)量的制約。大多數(shù)實(shí)用合金之所以打印不了，是由于粉末顆粒中的原子無法正確堆疊，導(dǎo)致焊接起來不牢固。

于是，馬丁的團(tuán)隊(duì)設(shè)法搞清楚了如何改變一種高強(qiáng)度合金的配方，以便與3D打印機(jī)兼容，這個(gè)團(tuán)隊(duì)主要在波音和通用汽車前瞻性的HRL傳感器及材料實(shí)驗(yàn)室工作。他們的秘密武器是，總部位于灣區(qū)的Citrine Informatics公司開發(fā)的一款機(jī)器學(xué)習(xí)軟件。事實(shí)證明，算法可學(xué)習(xí)足夠的化學(xué)知識(shí)，弄清楚波音應(yīng)該在下一個(gè)飛機(jī)機(jī)身中使用什么材料。

馬丁測(cè)試原型塊花了整整兩年多的時(shí)間，他的團(tuán)隊(duì)查遍了周期表，列出了1000萬種可能的配方以改善粉末質(zhì)量。然后他們要使用Citrine的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，搞清楚試用哪幾種。

許多公司升級(jí)產(chǎn)品（下一批普銳斯汽車、智能手機(jī)或雨衣）時(shí)，首先考慮如何升級(jí)用來制造這些產(chǎn)品的材料。它們可能會(huì)提高質(zhì)量，比如為iPhone制造一種更堅(jiān)硬的玻璃，或者搞清楚如何制造更便宜的電池。卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)的材料科學(xué)家利茲·霍爾姆（Liz Holm）過去與Citrine合作過，他說：“一切都要從頭開始，我們要用什么材料來制造產(chǎn)品？”

不過在過去，這個(gè)過程很耗費(fèi)時(shí)間？？。如果你在試圖制造更高效的LED，就會(huì)利用材料科學(xué)方面多年來的經(jīng)驗(yàn)，挑選一種初始的半導(dǎo)體配方，然后數(shù)年如一日地不斷調(diào)整和改進(jìn)，直到材料符合所有既定的標(biāo)準(zhǔn)。Citrine的首席執(zhí)行官格雷格·馬爾霍蘭（Greg Mulholland）說：“你知道科學(xué)的方法。你提出一個(gè)假設(shè)，加以測(cè)試，然后得出一番結(jié)論。之后周而復(fù)始?！?/p>

于是在2013年，馬爾霍蘭還在商學(xué)院時(shí)，他與Citrine的聯(lián)合創(chuàng)始人布賴斯·梅雷迪格（Bryce Meredig）和凱爾·米歇爾（Kyle Michel）認(rèn)為可以加快這個(gè)過程。一個(gè)關(guān)鍵的步驟就是，選擇大致正確的第一個(gè)配方，而這通常需要一位經(jīng)驗(yàn)豐富、多年處理類似材料的研究人員的幫助。但是何不借助幾十年來不斷饋送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的算法，而不是依賴一名科學(xué)家的有限經(jīng)驗(yàn)？

為了開發(fā)這種算法，他們不得不從那幾十年的實(shí)驗(yàn)中搜集數(shù)據(jù)，他們編寫軟件來掃描和轉(zhuǎn)換印在另一個(gè)時(shí)代的笨重參考書上的數(shù)據(jù)。他們將超級(jí)計(jì)算機(jī)模擬奇異晶體的結(jié)果饋送給算法。他們開發(fā)了一個(gè)友好的用戶界面，那樣研究人員可以從下拉菜單和切換按鈕中選擇，描述他們想要的材料類型。除了HRL外，Citrine團(tuán)隊(duì)在過去四年還與松下、美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和多個(gè)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等客戶有過合作。

但是即便如此，材料科學(xué)項(xiàng)目還是缺乏數(shù)據(jù)。馬爾霍蘭說：“我們必須另辟蹊徑，才能真正最大限度地利用可用的數(shù)據(jù)?！北热缯f不像谷歌翻譯使用的算法用數(shù)百萬單詞加以訓(xùn)練，新一類材料可能只有1000個(gè)或更少的數(shù)據(jù)點(diǎn)。一些公司想要使用幾年前才發(fā)現(xiàn)的材料。為了讓算法支持更多種類的材料，馬爾霍蘭的團(tuán)隊(duì)教算法學(xué)會(huì)物理和化學(xué)方面的一般規(guī)則。

有時(shí)他們甚至不得不求助于手寫的數(shù)據(jù)。馬爾霍蘭說：“有時(shí)我們必須掃描客戶的紙張和筆記本，這確實(shí)很糟糕。通常類似我的實(shí)驗(yàn)室筆記本以前的那個(gè)樣子。這是一系列難以看清楚的筆記?！?/p>

幸好，有了馬丁的團(tuán)隊(duì)相助，他們不必費(fèi)那么大的勁。Citrine的首席科學(xué)家梅雷迪格在研究生院作演講時(shí)，馬丁才對(duì)Citrine有所了解。他們發(fā)現(xiàn)，Citrine可以預(yù)測(cè)在合金中添加什么原子來提高可焊接性。比如說，該算法可以大致算出原子的最佳大小以及它們需要形成的化學(xué)鍵的類型。軟件幫助馬丁的團(tuán)隊(duì)將1000萬種提議的配方縮減至易于管理的100種配方。這個(gè)過程通常在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，需要多輪試驗(yàn)。馬丁說：“原來要花幾年，現(xiàn)在縮短至僅僅幾天?！?/p>

使用那些新的粉末配方，他們打印出了幾個(gè)原型塊，并測(cè)試了強(qiáng)度。他們?cè)陲@微鏡下仔細(xì)分析原型塊，并用數(shù)千磅力來拉伸，這些塊都通過了測(cè)試。

伊利諾伊大學(xué)厄巴納-尚佩恩分校的威廉·保羅·金（William Paul King）并沒有參與這項(xiàng)研究，他表示，盡管Citrine軟件很智能化，還是不會(huì)取代人類的專長(zhǎng)。馬丁的團(tuán)隊(duì)還做不到只需告訴軟件，“搞定這個(gè)不可焊接的粉末！”他們得明確告訴算法，他們?cè)趯ふ沂裁礃拥幕瘜W(xué)屬性。金說：“這需要他們擁有過硬的專長(zhǎng)?！?/p>

相反，材料科學(xué)家可以更充分地利用幾十年來積累起來的系統(tǒng)知識(shí)。馬爾霍蘭說：“不應(yīng)該花100年的時(shí)間來解答這些材料科學(xué)問題，應(yīng)該只要花5年至10年，在某些情況下甚至更短?！闭f到解答馬丁的3D打印問題，Citrine更是將這個(gè)時(shí)間縮短至幾天。endprint