Нейросеть-клетка «выращивает» пористые материалы по одному примеру

Так называемые "неупорядоченные метаматериалы" — это структуры со специально созданной внутренней хаотичной микроструктурой (например, пена или пористый каркас), которые именно за счёт этой нерегулярности получают свойства, недоступные обычным ровным решёткам, — что-то среднее между костью и губкой, если искать бытовую аналогию. Проблема в том, что проектировать такие структуры вручную можно лишь в очень ограниченных пределах, а обучение обычных генеративных нейросетей для этой задачи требует огромного количества примеров, которых просто неоткуда взять.

Авторы зашли с другой стороны и применили "нейронные клеточные автоматы" — систему, которая по простым локальным правилам взаимодействия соседних "клеток" постепенно, шаг за шагом, выращивает сложную структуру целиком, примерно как в природе растёт кость или коралл. Главное преимущество подхода: модели достаточно всего одного обучающего образца, чтобы затем создавать множество разных вариантов структуры, приспосабливая её под произвольную (в том числе неправильную) форму детали. Свойствами получившейся структуры можно управлять без повторного обучения модели, а сама структура плавно меняется в пространстве — разные механические свойства в разных зонах одной и той же детали.

Авторы продемонстрировали метод на задаче "механической маскировки": структура сама огибает и как бы "прячет" нагрузку вокруг отверстия или дефекта, без сложной постобработки чертежа. Статья больше про материаловедение, чем про здания напрямую, но задаёт направление на будущее: строительные 3D-печатные конструкции и метаматериалы с меняющимися по объёму свойствами — а заодно, что любопытно, медицинские импланты и мягкая робототехника.