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中國團(tuán)隊用AI造“降溫超材料”，建筑降溫21℃、衣物秒變空調(diào)
文章來源：賢集網(wǎng)     更新時間：2025-07-14 14:37:19
7 月 2 日，一則振奮人心的消息傳來：上海交通大學(xué)團(tuán)隊領(lǐng)銜的研究成果登上《Nature》，在人工智能（AI）熱輻射超材料領(lǐng)域取得重大原創(chuàng)突破，帶來了革命性的降溫新方案。這一成果能讓建筑外墻有望 “0 能耗降溫”、市民的隨身衣物一鍵降溫 3-5 度，更將為航空航天、沙漠地帶等極端環(huán)境提供溫控解決方案。



上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院、金屬基復(fù)合材料全國重點實驗室張荻院士團(tuán)隊、材料科學(xué)與工程學(xué)院 / 金屬基復(fù)合材料全國重點實驗室 / 張江高等研究院周涵教授課題組，與新加坡國立大學(xué)仇成偉院士團(tuán)隊、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校鄭躍兵教授團(tuán)隊合作，在人工智能（AI）驅(qū)動的超寬波段及波段選擇性熱輻射超材料設(shè)計領(lǐng)域取得的這一重要突破，研究成果以 “Ultrabroadband and band-selective thermal meta-emitters by machine learning” 為題發(fā)表在《Nature》上。

                      

源于自然的靈感：AI 驅(qū)動超材料 “逆向設(shè)計”



熱輻射是自然界能量傳遞的基本形式，所有物體時刻都在通過熱輻射傳遞熱量。超材料作為一類具有特殊性質(zhì)的人造材料，其中具有熱輻射性能的超材料可以把多余的熱量 “打包” 傳遞到外界，幫助物體自動降溫，在零能耗輻射冷卻、電子器件熱調(diào)控、人體熱管理等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價值。



然而，超材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料組分設(shè)計組合起來有上百萬種可能性，傳統(tǒng)設(shè)計方法費時又費力，就像在迷宮里摸黑找路，往往依賴長期經(jīng)驗和反復(fù)試錯。



此次研究啟迪于自然，團(tuán)隊從生物體三維拓?fù)錁?gòu)型中獲取靈感。“我們從天牛、魚鱗等生物中提取了 32 種基元，這些研究的積累為后續(xù)的設(shè)想打下了基礎(chǔ)。” 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 / 張江高等研究院博士生肖誠禹分享道。



研究團(tuán)隊提煉出多種三維結(jié)構(gòu)單元和空間排列方式，構(gòu)建了機器學(xué)習(xí)驅(qū)動的逆向生成優(yōu)化設(shè)計框架，攻克了傳統(tǒng)試錯法在光譜設(shè)計中面臨的全局優(yōu)化難題，提出了可精準(zhǔn)描述三維復(fù)雜構(gòu)型的 “三平面建模法”，實現(xiàn)了超寬帶與多波段選擇性熱輻射超材料的自動化逆向設(shè)計。



通過機器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的人工智能模型，可根據(jù)光譜性能按需設(shè)計超材料，帶來了設(shè)計維度、速度和性能全方位的提升。金屬基復(fù)合材料全國重點實驗室、上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 / 張江高等研究院未來材料創(chuàng)制中心周涵教授指出，傳統(tǒng)方法篩選 5 萬種方案需要的時間是一個天文數(shù)字，而他們的 AI 模型通過深度學(xué)習(xí)，僅用 3 個月就完成，并從中篩選出接近理想狀態(tài)的 1500 種候選設(shè)計方案，再從中優(yōu)中選優(yōu)。

                                          

顯著的降溫效果：從建筑到日常用品的廣泛應(yīng)用



在實際應(yīng)用測試中，這種熱輻射超材料展現(xiàn)出了令人驚嘆的降溫效果。



在城市建筑方面，“我們的雙波段選擇性超材料涂在模型屋頂，表面溫度比商用白漆涂覆表面低 5.6℃，比灰色涂料涂覆的低 21℃。炙熱的屋頂瞬間涼爽了下來。” 周涵教授在新聞通氣會上分享的數(shù)據(jù)十分亮眼。



在城市建筑群模擬環(huán)境中，單波段選擇性超材料下表面溫度分別比商用白漆涂覆表面低 2.5℃和 5.3℃。披上這層 “自動降溫外套”，表面就像開啟了天然制冷模式，這意味著未來都市高樓、居民樓的屋頂墻面都可能披上這件 “外套”，有效緩解城市熱島效應(yīng)。



針對都市人的日常需求，團(tuán)隊特別測試了隨身衣物和頭盔的降溫效果。“頭盔能降 5℃，相比同種顏色的商用頭盔最多降 8℃。” 周涵教授介紹，若將材料整合到隨身衣物中，在熱島環(huán)境下可降溫 2-3℃，理想測試條件下效果則更為顯著。肖誠禹展示的柔性薄膜和貼片樣品，已能應(yīng)用于隨身衣物，這意味著在炎炎夏日，通勤族的防曬衣、騎行頭盔都可能成為 “移動空調(diào)”。



在其他場景中，寬波段超材料在晴朗的正午時分，下表面溫度相比環(huán)境溫度降低了 5.9℃；單波段選擇性超材料在多云條件下，下表面溫度相比環(huán)境溫度降低了 4.6℃。所創(chuàng)制的熱輻射超材料可廣泛應(yīng)用于地面輻射冷卻、建筑節(jié)能降溫、航天熱控等諸多重要領(lǐng)域。



低成本與易制備：推動產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用



這項研究成果不僅降溫效果顯著，還具備低成本、易制備的特點，為其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。



“我們的涂料可直接噴涂在磚墻、金屬、玻璃上，溶液法制備成本更低。” 肖誠禹介紹道。典型的雙波段選擇性超材料僅需簡單的溶液法就能在室溫下制備，并以涂料的形式應(yīng)用于多種常見物體表面，就像給物體用上了防曬降溫霜。



測算顯示，中低緯度地區(qū)建筑使用該材料，理論節(jié)能相當(dāng)于每平米可省 20 度電，能耗模擬也顯示，在中低緯度地區(qū)，將該材料應(yīng)用于建筑屋頂可實現(xiàn) 75 MJ/m² 的理論節(jié)能效果。



這種材料成本低、應(yīng)用形式靈活，從建筑外墻到隨身衣物，從戶外設(shè)施到電子產(chǎn)品，都能發(fā)揮降溫作用，讓高科技降溫真正走進(jìn)千家萬戶。



研究的支持與挑戰(zhàn)：團(tuán)隊努力的成果



該項工作得到了國家自然科學(xué)基金委、上海市科學(xué)技術(shù)發(fā)展資金、上海交通大學(xué) 2030 計劃的資助，已獲得軟件著作權(quán)并已申請相關(guān)發(fā)明專利。



當(dāng)被問及科研路上的最大挑戰(zhàn)，肖誠禹坦言：“中間一度曾想放棄，但周老師一直鼓勵我們‘做超前的事’。” 這位本科主修金屬材料、對機器算法學(xué)習(xí)有濃厚興趣的年輕人，在周涵教授指導(dǎo)下較早地開始了這個領(lǐng)域的研究，“2021 年有了模型框架，直到 2023 年才完成調(diào)試，兩年間經(jīng)歷了數(shù)不清次數(shù)的調(diào)試，最后到論文階段也是修改了上百個版本。”

                                     

Nature 審稿人對該項研究給予了高度評價：“研究展示了關(guān)于利用機器學(xué)習(xí)設(shè)計與驗證寬帶超材料的杰出研究。作者將先進(jìn)機器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于熱輻射超材料設(shè)計，并通過實驗驗證展現(xiàn)出卓越性能，這一創(chuàng)新成果令人高度贊賞”“這項研究標(biāo)志著機器學(xué)習(xí)驅(qū)動的超材料設(shè)計領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。該研究扎實而全面的實驗結(jié)果令人信服且具有重要影響。”



如今，這項突破性研究成果，或許在不久的將來，就能讓我們穿著降溫神器行走街頭，讓這種物美價廉的 “降溫能手” 在各個領(lǐng)域大顯身手。

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