L’intelligenza artificiale (IA) sta rivoluzionando il mondo della produzione di suole per scarpe, offrendo soluzioni innovative e efficienti. Il team di ricerca guidato dal Professor Dennis Kochmann dell’ETH Zurich è stato tra i pionieri nel disegnare strutture cellulari su piccola scala, simili a reti di travi in case a telaio, per creare metamateriali con proprietà specifiche o estreme. Questi metamateriali possono comportarsi come fluidi, essendo difficili da comprimere ma facili da deformare, o possono restringersi in tutte le direzioni quando compressi in un modo specifico.
Il processo di progettazione di questi metamateriali, tuttavia, è stato tradizionalmente basato sull’esperienza e su un approccio di prova ed errore. Ciò ha limitato il pieno potenziale dei metamateriali, poiché piccoli cambiamenti nella struttura possono portare a grandi variazioni nelle proprietà. Per superare questi limiti, i ricercatori hanno utilizzato l’IA per esplorare sistematicamente le abbondanti proprietà di design e meccaniche di due tipi di metamateriali, permettendo di prevedere strutture ottimali per le risposte di deformazione desiderate semplicemente premendo un pulsante.
L’approccio innovativo impiega grandi set di dati sul comportamento di deformazione delle strutture reali per addestrare un modello di IA che non solo riproduce i dati ma genera e ottimizza anche nuove strutture. Utilizzando un metodo noto come “autoencoder variationali”, l’IA apprende le caratteristiche essenziali di una struttura da un ampio insieme di parametri di design e come queste si traducano in proprietà specifiche. In questo modo, può generare un progetto di metamateriale ogni volta che i ricercatori specificano le proprietà e i requisiti desiderati.
Li Zheng, uno studente di dottorato nel gruppo di Kochmann, ha addestrato un modello di IA utilizzando un dataset di un milione di strutture e le loro risposte simulate. Questo metodo consente all’IA di apprendere in modo efficiente le caratteristiche di design essenziali e come assemblare i blocchi costruttivi dei metamateriali per conferire loro una particolare morbidezza o durezza. A differenza degli approcci precedenti che utilizzavano un piccolo catalogo di blocchi costruttivi come base per il design, il nuovo metodo dà all’IA la libertà di aggiungere, rimuovere o spostare i blocchi costruttivi quasi arbitrariamente.
Un altro studente di dottorato del gruppo, Jan-Hendrik Bastek, ha utilizzato un approccio diverso, impiegando un metodo introdotto originariamente per la generazione video basata su IA. Ha addestrato il suo sistema di IA utilizzando 50.000 sequenze video di strutture deformabili stampabili in 3D. In questo modo, l’IA può creare progetti per nuovi materiali, tenendo conto di scenari altamente complessi.
Questi strumenti di IA, resi disponibili alla comunità dei metamateriali, aprono nuove strade per lo sviluppo di attrezzature protettive come caschi per biciclette e per ulteriori applicazioni di metamateriali, dall’ingegneria medica alla robotica morbida. Anche le suole delle scarpe possono essere progettate per assorbire meglio gli shock durante la corsa o per fornire una spinta in avanti quando si calpesta. Tuttavia, Kochmann sottolinea che l’IA, sebbene sia un assistente estremamente efficiente e diligente, non sostituirà completamente la progettazione manuale di materiali, poiché deve essere fornita di istruzioni corrette e una formazione adeguata, basate su principi scientifici e conoscenze ingegneristiche.
Questo lavoro rivoluzionario mostra come l’IA stia trasformando il campo del design dei materiali, rendendo possibile la creazione di prodotti innovativi e altamente personalizzati, come le suole delle scarpe, con efficienza e precisione mai viste prima.
