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L'intelligenza artificiale (AI) sta rivoluzionando il campo dei materiali avanzati, con particolare enfasi sul miglioramento della sicurezza dei caschi per biciclette e delle suole delle scarpe. Grazie a recenti progressi in questo settore, gli scienziati sono ora in grado di progettare materiali metamateriali con proprietà meccaniche straordinarie, adatti a una vasta gamma di applicazioni, tra cui l'equipaggiamento protettivo e le calzature sportive. Un team di ricercatori guidato dal professor Dennis Kochmann dell'ETH Zurich è stato pioniere nella progettazione di strutture cellulari su piccola scala, simili a reti di travi in case a telaio, per creare metamateriali con proprietà specifiche o estreme. Per esempio, sono stati progettati metamateriali che si comportano come fluidi: difficili da comprimere ma facili da deformare, o metamateriali che si restringono in tutte le direzioni quando compressi in una specifica. Questi progressi sono stati resi possibili grazie all'utilizzo dell'intelligenza artificiale per esplorare sistematicamente le abbondanti proprietà di progettazione e meccaniche di due tipi di metamateriali. L'utilizzo di grandi dataset sul comportamento di deformazione di strutture reali ha permesso di addestrare un modello di AI non solo a riprodurre dati, ma anche a generare e ottimizzare nuove strutture. Uno strumento chiave in questo processo è stato l'uso di "variational autoencoders", che permettono all'AI di apprendere le caratteristiche essenziali di una struttura da un ampio set di parametri di progettazione e come queste si traducano in proprietà specifiche. Li Zheng, dottorando nel gruppo di Kochmann, ha addestrato un modello di AI usando un dataset di un milione di strutture e la loro risposta simulata. A differenza degli approcci precedenti, che utilizzavano un piccolo catalogo di blocchi di costruzione come base per la progettazione, il nuovo metodo dà all'AI la libertà di aggiungere, rimuovere o spostare quasi arbitrariamente i blocchi di costruzione. Jan-Hendrik Bastek, un altro dottorando nel gruppo di Kochmann, ha adottato un approccio diverso, utilizzando un metodo originariamente introdotto per la generazione di video basati sull'AI. Ha addestrato il suo sistema AI usando 50.000 sequenze video di strutture stampabili in 3D che si deformano. Questo metodo consente all'AI di creare bozze per nuovi materiali, tenendo conto di scenari altamente complessi. Questi strumenti AI sono stati resi disponibili alla comunità dei metamateriali, aprendo nuove strade per lo sviluppo di attrezzature protettive come i caschi per biciclette e ulteriori applicazioni dei metamateriali, dall'ingegneria medica alla robotica morbida. Le suole delle scarpe, ad esempio, possono essere progettate per assorbire meglio gli shock durante la corsa o per fornire una spinta in avanti quando si calpesta. Questo lavoro rappresenta un notevole progresso nel campo dei materiali avanzati e mostra come l'intelligenza artificiale possa essere utilizzata per superare le limitazioni dei processi di progettazione basati sull'intuizione e sul tentativo ed errore, accelerando notevolmente il processo di sviluppo di nuovi materiali con proprietà desiderate.