第411章 他手裡就有一把現成的鑰匙
晚飯後，肖宿回到自己的書房，關上了門。
窗外的天色已經暗下來了，透過百葉簾的縫隙，能看到對面那棟樓燈火通明。
肖宿靠在椅背上，手指無意識地轉著筆。
前兩天在航天科工的那個計算模型又給他帶來了一些別樣的想法。
他抬手，在紙上寫下來材料兩個字。
材料。
肖宿斂眉，視線直直的看著這兩個字。
關於材料，肖宿其實一直不是很在意，但是這次製造隱身衣的嘗試，也給他提了個醒。
無論他現在的理論框架做的多完善，構思多麼精巧，一旦受限於現實材料的性能短板，所有的設計都是很難落地的，也很難達到預期的技術目標。
就拿恆科為極晝一號機器人配備的機械臂來說，整套鈦合金骨架搭配諧波減速器的方案，經過數十年工業機器人領域的實戰打磨，成熟度、穩定性都毋庸置疑，適配常規的工業作業當然是完全足夠的。
但是這套經典方案的短板也是十分突出的。
它的鈦合金彈性模量偏高，末端執行器想要做到亞毫米級別的力控精度，傳動鏈上的每一段剛性構件都會引入彈性變形誤差，而且這個誤差在傳動鏈上是逐級累積的，越到末端越明顯。
除此之外，諧波減速器本身還有一到兩弧分的回差，在常規抓取動作里這個回差當然不礙事，但是如果想讓機器人完成穿針引線、或者在不規則地形上穩定行走這種精細的動作，這點微小的回差就會被無限放大，最終成為一個繞不過去的麻煩。
他很久之前就注意到了這個問題，當初也想過用形狀記憶合金或者壓電陶瓷做直驅執行器，把減速器這一級直接砍掉。
但是形狀記憶合金的響應帶寬是有上限的，在溫度循環下還會出現相變滯後，控制精度很難穩定。
而壓電陶瓷的行程又太短，做大行程驅動得靠堆疊或放大機構，而堆疊和放大機構本身又會引入新的間隙。
這兩種材料的缺陷，根本沒辦法適配高精度、高穩定性的精密機器人作業需求。
不過現在，面對這個問題，肖宿有了新的想法。
如果沒有合適的材料，那就造一個合適的不就好了嗎？
如果有一種材料，既能像鈦合金一樣強度高、密度低，又能像壓電陶瓷一樣對電信號做出毫秒級的精確響應，同時還能在納米尺度上保持足夠低的蠕變和疲勞損傷累積，那機器人的關節不就不用再在精度和力量之間做取捨了嗎？
然後他轉念一想，光是關節還不夠。
極晝一號的骨架、外殼、散熱結構、電池倉的減重，每一個環節都對材料的比強度、導熱性、電磁屏蔽性有不同的要求。
既然要做，為什麼不把所有的材料全部優化了呢？
如果重新設計一個工具，能把這所有的需求統一到一個可定製的金屬材料體系里，按需調配成分和工藝，那整個機器人硬體設計的不就更方便了嗎？
他左手托腮，右手無意識的用筆尖在坐標紙上點了一下，留下一個很小的墨點。
不只是機器人。
隱身衣的超表面天線陣列，壓印模板用的是鎳基模具，硬度夠了但是耐磨性不行，壓了幾百次之後模板的鋸齒形拐角處就會出現微米級的磨損，模板就得重做。
如果能有一種兼具超高硬度和自潤滑特性的新型金屬來做模具，那模板壽命就能提升好幾個數量級了，批量生產效率也會直接起飛。
還有在航天科工看到的那些高溫合金，火箭發動機噴管的內壁材料要承受三千度以上的燃氣沖刷，現役的鈮基合金和鎢基合金熔點是夠的，但在高溫氧化環境下的壽命始終是個大問題。
機器人、隱身衣、航空發動機。
三個完全不同的領域，三個看起來毫不相干的技術難題，最終的瓶頸全部落在了同一個地方。
他需要一套能從根本上解決材料設計問題的工具。
不是改進某一種材料，而是建一套能從原子尺度出發、直接逆向設計金屬材料的通用計算框架。
給定目標性能就能反向算出最優的成分組合和製備工藝。
這個想法一冒出來，他腦子裡那些散落的知識碎片就開始自動拼接起來了。
現有的材料設計方法，不管是第一性原理計算還是分子動力學模擬，本質上都是在已知成分和工藝的基礎上去預測性能。
預測完之後，人拿著結果判斷哪個方向更好，再手工調整參數跑下一輪。
整個流程從概念設計到拿到可用樣品，平均周期是十到十五年。
這當然不是因為計算慢，時間主要還是浪費在了方向的選擇上。
畢竟你不能保證你的第一選擇永遠是對的。
而一旦方向錯了，那就得重新選擇，這個過程浪費的時間可不少，一個實驗，一做可能就是好幾年。
科研人員最黃金的那幾年，又能做幾次實驗呢？
所以，有時候選對方向遠比堅持更重要。
肖宿想來想去，或許可以像當初他做出顧辛幾何框架一樣，重新設計一個計算模型，讓整套材料仿真體系擺脫正向疊代的固有桎梏，直接搭建起從宏觀性能指標反向錨定微觀原子構型、組分占比與加工工藝的逆向求解通路。
但是逆向求解和正向疊代的難度是完全不在一個量級上的。
金屬材料的性能由多個層次的結構共同決定，最底層是電子結構，往上是晶體結構，再往上是微觀組織，最後才是宏觀的服役性能。
強度、韌性、疲勞極限、蠕變速率、抗氧化性，這些指標沒有一個是獨立的。
晶界密度拉高了強度，位錯的滑移空間就被壓縮，韌性掉下來。
抗氧化性靠鉻和鋁在表面形成氧化膜，這層膜確實能擋住氧往裡擴散，但是它本身是脆的，在高應力下會開裂剝落。
這也就是材料科學裡最經典的「蹺蹺板效應」，按下葫蘆浮起瓢，一個性能上去了，另一個性能自然就得下來。
想要全部都達到最優效果，太難了。
而且變量維度太高了。
一個四元合金體系，成分比例、熱處理溫度曲線、變形加工參數全算上，待優化的變量輕輕鬆鬆超過三位數。
這些變量之間的關係是非線性的、多峰值的、存在大量局部極小值的，傳統的梯度下降或遺傳算法在這種地形上跑，十個有九個會掉進坑裡爬不出來。
想到這裡，肖宿忽然停了下來。
或許，也不是沒有辦法的。
他手裡就有一把現成的鑰匙。
窗外的天色已經暗下來了，透過百葉簾的縫隙，能看到對面那棟樓燈火通明。
肖宿靠在椅背上，手指無意識地轉著筆。
前兩天在航天科工的那個計算模型又給他帶來了一些別樣的想法。
他抬手，在紙上寫下來材料兩個字。
材料。
肖宿斂眉，視線直直的看著這兩個字。
關於材料，肖宿其實一直不是很在意，但是這次製造隱身衣的嘗試，也給他提了個醒。
無論他現在的理論框架做的多完善，構思多麼精巧，一旦受限於現實材料的性能短板，所有的設計都是很難落地的，也很難達到預期的技術目標。
就拿恆科為極晝一號機器人配備的機械臂來說，整套鈦合金骨架搭配諧波減速器的方案，經過數十年工業機器人領域的實戰打磨，成熟度、穩定性都毋庸置疑，適配常規的工業作業當然是完全足夠的。
但是這套經典方案的短板也是十分突出的。
它的鈦合金彈性模量偏高，末端執行器想要做到亞毫米級別的力控精度，傳動鏈上的每一段剛性構件都會引入彈性變形誤差，而且這個誤差在傳動鏈上是逐級累積的，越到末端越明顯。
除此之外，諧波減速器本身還有一到兩弧分的回差，在常規抓取動作里這個回差當然不礙事，但是如果想讓機器人完成穿針引線、或者在不規則地形上穩定行走這種精細的動作，這點微小的回差就會被無限放大，最終成為一個繞不過去的麻煩。
他很久之前就注意到了這個問題，當初也想過用形狀記憶合金或者壓電陶瓷做直驅執行器，把減速器這一級直接砍掉。
但是形狀記憶合金的響應帶寬是有上限的，在溫度循環下還會出現相變滯後，控制精度很難穩定。
而壓電陶瓷的行程又太短，做大行程驅動得靠堆疊或放大機構，而堆疊和放大機構本身又會引入新的間隙。
這兩種材料的缺陷，根本沒辦法適配高精度、高穩定性的精密機器人作業需求。
不過現在，面對這個問題，肖宿有了新的想法。
如果沒有合適的材料，那就造一個合適的不就好了嗎？
如果有一種材料，既能像鈦合金一樣強度高、密度低，又能像壓電陶瓷一樣對電信號做出毫秒級的精確響應，同時還能在納米尺度上保持足夠低的蠕變和疲勞損傷累積，那機器人的關節不就不用再在精度和力量之間做取捨了嗎？
然後他轉念一想，光是關節還不夠。
極晝一號的骨架、外殼、散熱結構、電池倉的減重，每一個環節都對材料的比強度、導熱性、電磁屏蔽性有不同的要求。
既然要做，為什麼不把所有的材料全部優化了呢？
如果重新設計一個工具，能把這所有的需求統一到一個可定製的金屬材料體系里，按需調配成分和工藝，那整個機器人硬體設計的不就更方便了嗎？
他左手托腮，右手無意識的用筆尖在坐標紙上點了一下，留下一個很小的墨點。
不只是機器人。
隱身衣的超表面天線陣列，壓印模板用的是鎳基模具，硬度夠了但是耐磨性不行，壓了幾百次之後模板的鋸齒形拐角處就會出現微米級的磨損，模板就得重做。
如果能有一種兼具超高硬度和自潤滑特性的新型金屬來做模具，那模板壽命就能提升好幾個數量級了，批量生產效率也會直接起飛。
還有在航天科工看到的那些高溫合金，火箭發動機噴管的內壁材料要承受三千度以上的燃氣沖刷，現役的鈮基合金和鎢基合金熔點是夠的，但在高溫氧化環境下的壽命始終是個大問題。
機器人、隱身衣、航空發動機。
三個完全不同的領域，三個看起來毫不相干的技術難題，最終的瓶頸全部落在了同一個地方。
他需要一套能從根本上解決材料設計問題的工具。
不是改進某一種材料，而是建一套能從原子尺度出發、直接逆向設計金屬材料的通用計算框架。
給定目標性能就能反向算出最優的成分組合和製備工藝。
這個想法一冒出來，他腦子裡那些散落的知識碎片就開始自動拼接起來了。
現有的材料設計方法，不管是第一性原理計算還是分子動力學模擬，本質上都是在已知成分和工藝的基礎上去預測性能。
預測完之後，人拿著結果判斷哪個方向更好，再手工調整參數跑下一輪。
整個流程從概念設計到拿到可用樣品，平均周期是十到十五年。
這當然不是因為計算慢，時間主要還是浪費在了方向的選擇上。
畢竟你不能保證你的第一選擇永遠是對的。
而一旦方向錯了，那就得重新選擇，這個過程浪費的時間可不少，一個實驗，一做可能就是好幾年。
科研人員最黃金的那幾年，又能做幾次實驗呢？
所以，有時候選對方向遠比堅持更重要。
肖宿想來想去，或許可以像當初他做出顧辛幾何框架一樣，重新設計一個計算模型，讓整套材料仿真體系擺脫正向疊代的固有桎梏，直接搭建起從宏觀性能指標反向錨定微觀原子構型、組分占比與加工工藝的逆向求解通路。
但是逆向求解和正向疊代的難度是完全不在一個量級上的。
金屬材料的性能由多個層次的結構共同決定，最底層是電子結構，往上是晶體結構，再往上是微觀組織，最後才是宏觀的服役性能。
強度、韌性、疲勞極限、蠕變速率、抗氧化性，這些指標沒有一個是獨立的。
晶界密度拉高了強度，位錯的滑移空間就被壓縮，韌性掉下來。
抗氧化性靠鉻和鋁在表面形成氧化膜，這層膜確實能擋住氧往裡擴散，但是它本身是脆的，在高應力下會開裂剝落。
這也就是材料科學裡最經典的「蹺蹺板效應」，按下葫蘆浮起瓢，一個性能上去了，另一個性能自然就得下來。
想要全部都達到最優效果，太難了。
而且變量維度太高了。
一個四元合金體系，成分比例、熱處理溫度曲線、變形加工參數全算上，待優化的變量輕輕鬆鬆超過三位數。
這些變量之間的關係是非線性的、多峰值的、存在大量局部極小值的，傳統的梯度下降或遺傳算法在這種地形上跑，十個有九個會掉進坑裡爬不出來。
想到這裡，肖宿忽然停了下來。
或許，也不是沒有辦法的。
他手裡就有一把現成的鑰匙。