沈涵 科技日报记者 王春
给建筑外表面喷上一种特殊的“涂料”，如同给它披上“自动降温外套”，比商用白漆涂覆表面降低5.3℃。这种神奇的热辐射超材料由上海交通大学周涵团队构建的热辐射超材料逆向设计AI模型来设计。
该模型突破了传统光学超材料设计依赖经验和反复试错而费时费力且只能局部优化的局限，能够根据所需光谱特性，快速、精准、大批量地生成相应超材料的多种设计方案。作为人工智能热辐射超材料领域的重大原创突破，周涵团队的这一科研成果已于7月2日晚发表于《自然》。
构建5万组数据样本，给AI模型喂足“学习资料”
生活在火山口附近的天牛，其体表覆盖的绒毛微结构为三棱柱状，斜边还分布着球形小凸起，这种独特的结构组合使得天牛在可见波段和红外波段具备高光学反射率，实现体表降温，从而耐受70℃高温环境。不止天牛，大自然中很多生物体都具有超常光学和热学特性的三维拓扑构型，研究团队从中获得灵感，提炼出多种三维结构单元和空间排列方式，并通过首创的“三平面建模法”实现了对三维结构单元的精准描述，建立了拥有5万多组数据、涵盖多种微纳尺度结构的“材料－超构模型－光谱性能”数据库。
“我们利用AI仅用3个月就筛选出了1500多组数据，如果用常规方法先猜可能有效的材料组合和结构组合，再一个个去仿真模拟验证性能，需要的时间就是个天文数字。”上海交通大学材料科学与工程学院周涵教授说。
基于该数据库，团队训练并构建了热辐射超材料逆向设计AI模型。在团队的设想中，在该模型中输入想要的“理想结果”，比如在某个波段能高效散热，在另一个波段能反射阳光，AI就能自动去组合材料和设计结构，最终生成出多种适合的超材料体系。
“2021年的时候我们已经做出了一个AI模型的框架，但因为在这个方向上没有可借鉴的文献，之后几年我们一直在对这个模型进行修改、打磨文章。”团队成员之一、上海交通大学材料科学与工程学院博士生肖诚禹告诉记者，他们设定的目标不仅仅是设计材料，更是要实现宽波段、多维度、多目标的极限优化。
经过漫长的前期调试，团队终于开发出适配复杂结构、不同空间排布、多材料体系的AI模型。在模型中输入光谱需求后，AI就能自动生成最优材料结构与组合，快速输出可行的候选方案。“1秒钟就能生成2000个设计方案。”肖诚禹说。
多类型材料实测验证，让科研走进生活
为验证该模型的实际效能，团队用模型设计了4种针对特定应用的热辐射超材料，包括宽带热辐射超材料、单波段选择性及双波段选择性热辐射超材料等，分别做成柔性薄膜、贴片、涂料等不同形式，用在多种场景实测它们能否真正带来“零能耗降温”。
根据实测结果，无论是晴天正午，还是多云条件……这些AI设计的材料在屋顶、沙漠等不同的应用环境都能实现稳定的降温效果，充分展示了该模型在建筑节能、城市热岛效应缓解等领域的应用潜力。
值得一提的是，这些材料只需简单溶液法即可在室温制备，以涂料形式喷或刷在屋顶、玻璃、塑料、金属上即可使用。模拟数据显示，在中低纬度地区的建筑应用中，每平方米屋顶一年可节约约20度电，为未来打造“零能耗降温”城市提供了创新解决方案。
