7月2日，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張荻院士團(tuán)隊(duì)、材料科學(xué)與工程學(xué)院/金屬基復(fù)合材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校鄭躍兵教授團(tuán)隊(duì)合作，在人工智能（AI）驅(qū)動(dòng)的超寬波段及波段選擇性熱輻射超材料設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重要突破。研究成果以“Ultrabroadband and band-selective thermal meta-emitters by machine learning” 為題發(fā)表在 Nature 上。

該研究啟迪于自然，基于生物拓?fù)錁?gòu)型提煉出多種三維結(jié)構(gòu)基元和空間序構(gòu)組合，構(gòu)建了機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的逆向生成優(yōu)化設(shè)計(jì)框架，攻克了傳統(tǒng)試錯(cuò)法在光譜設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了超寬帶與多波段選擇性熱輻射超材料的自動(dòng)化逆向設(shè)計(jì)。通過機(jī)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(jì)超材料，進(jìn)而帶來了設(shè)計(jì)維度、速度和性能全方位的提升。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，推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

上海交通大學(xué)周涵教授、張荻院士、新加坡國立大學(xué)仇成偉院士、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校鄭躍兵教授為論文共同通訊作者，上海交通大學(xué)材料學(xué)院/張江高等研究院博士生肖誠禹為論文第一作者，上海交通大學(xué)為論文第一完成單位。

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

AI驅(qū)動(dòng)超材料“逆向設(shè)計(jì)”， 

實(shí)現(xiàn)熱輻射超材料批量按需設(shè)計(jì)

熱輻射是自然界能量傳遞的基本形式，它就像一名不知疲倦的“熱量快遞員”，所有物體時(shí)刻都在通過熱輻射傳遞熱量——比如曬太陽會(huì)感覺到暖和，其實(shí)是皮膚在接收太陽的熱輻射。超材料指的是一類具有特殊性質(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，穿上這種材料制作的“外衣”就像穿了一件降溫神器，能夠幫助物體自動(dòng)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(jià)值。微結(jié)構(gòu)是超材料突破自然材料限制、具備特殊功能的核心，然而，超材料的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料組分設(shè)計(jì)組合起來有上百萬種可能性，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，就像在迷宮里摸黑找路，往往依賴于長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試錯(cuò)。

經(jīng)過億萬年物競(jìng)天擇，大自然中的生物進(jìn)化出了許多具有超常光學(xué)和熱學(xué)特性的三維拓?fù)錁?gòu)型，可以通過熱輻射的方式進(jìn)行自身體溫調(diào)控。研究團(tuán)隊(duì)從生物體三維拓?fù)錁?gòu)型中獲取靈感，提煉出了多種三維結(jié)構(gòu)單元和空間排列方式，并通過首創(chuàng)的“三平面建模法”巧妙實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維結(jié)構(gòu)單元的精準(zhǔn)描述，建立了龐大的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)集。結(jié)合多種材料體系，團(tuán)隊(duì)訓(xùn)練得到了一個(gè)熱輻射超材料逆向設(shè)計(jì)AI模型，能夠根據(jù)所需光譜特性快速、精準(zhǔn)地生成相應(yīng)超材料的多種設(shè)計(jì)方案，帶來了設(shè)計(jì)維度、速度和性能全方位的提升。AI的引入讓熱輻射超材料的設(shè)計(jì)不再是局限于已知“菜譜”上小修小補(bǔ)，突破了現(xiàn)有“菜式”的“上限”。所創(chuàng)制的熱輻射超材料可廣泛應(yīng)用于零能耗輻射冷卻、建筑節(jié)能降溫、航天熱控等諸多重要領(lǐng)域，推進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

圖2. 參數(shù)化描述方法及逆向設(shè)計(jì)流程

多類型材料實(shí)測(cè)驗(yàn)證，

滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景需求

為驗(yàn)證AI模型的實(shí)際效能，團(tuán)隊(duì)用AI模型設(shè)計(jì)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了七種針對(duì)特定應(yīng)用的熱輻射超材料，包括寬帶熱輻射超材料、單波段選擇性及雙波段選擇性熱輻射超材料等。實(shí)際應(yīng)用形式涵蓋包括柔性薄膜、涂料、貼片等多種形式。

在多種戶外場(chǎng)景實(shí)測(cè)中，所有熱輻射超材料均展現(xiàn)出優(yōu)異的自降溫效果，并且不同類型的材料可適用于不同的應(yīng)用環(huán)境，就像給物體根據(jù)應(yīng)用環(huán)境不同披上了不同的“自動(dòng)降溫外套”。如，在晴朗的正午時(shí)分，寬波段超材料下表面溫度相比環(huán)境溫度降低了5.9℃；在多云條件下，單波段選擇性超材料降溫性能更顯著，下表面溫度相比環(huán)境溫度降低了4.6℃；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寬帶超材料和商用白漆涂覆表面低2.5℃和5.3℃。披上這層“自動(dòng)降溫外套”，表面溫度明顯下降，就像開啟了天然制冷模式。

將雙波段選擇性超材料涂覆在模型屋頂，其表面溫度比商用白漆涂覆表面低5.6°C，比灰色涂料涂覆表面低21°C，炙熱的屋頂瞬間涼爽了下來。這些結(jié)果充分展示了AI模型“許愿式”設(shè)計(jì)材料在建筑節(jié)能、城市熱島效應(yīng)緩解等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，為未來打造“零能耗降溫”城市提供了創(chuàng)新解決方案。

圖3. 典型熱輻射需求的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及戶外熱測(cè)試結(jié)果

便于規(guī)模制備，助力應(yīng)用落地

這一AI模型不僅能“發(fā)明”新材料，還能從中挑選出那些更適合大規(guī)模使用、成本更低的超材料。如，典型的雙波段選擇性超材料僅需簡(jiǎn)單的溶液法就能在室溫下制備，并以涂料的形式應(yīng)用于磚墻、金屬、塑料和玻璃等多種常見物體的表面，就像給物體用上了防曬降溫霜。能耗模擬顯示，在中低緯度地區(qū)，將該材料應(yīng)用于建筑屋頂可實(shí)現(xiàn)75 MJ/m2的理論節(jié)能效果，相當(dāng)于節(jié)省20度電。此外，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，這種物美價(jià)廉的“降溫能手”將在各個(gè)領(lǐng)域大顯身手，讓高科技降溫真正走進(jìn)千家萬戶。

這項(xiàng)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(jì)劃的資助。該工作已獲得軟件著作權(quán)并已申請(qǐng)相關(guān)發(fā)明專利。

論文重要作者上海交通大學(xué)范同祥教授、趙長(zhǎng)穎教授、新加坡國立大學(xué)/上海交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院劉夢(mèng)琦博士、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校姚侃博士、瑞典于默奧大學(xué)Max Yan教授等，均給與了重要支持。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09102-y