Enfoque de aprendizaje profundo para la predicción de propiedades mecánicas de hidrogel de red única
Autores: Zhu, Jing-Ang; Jia, Yetong; Lei, Jincheng; Liu, Zishun
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2021
Acceso abierto
Artículo científico
2021
Enfoque de aprendizaje profundo para la predicción de propiedades mecánicas de hidrogel de red única
Categoría
Matemáticas
Subcategoría
Matemáticas generales
Palabras clave
Hidrogel
Estructura de red
Propiedades mecánicas
Aprendizaje profundo
Cadenas de polímero
Curvas de esfuerzo-deformación
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
El hidrogel tiene una estructura de red compleja con una distribución aleatoria e inhomogénea de cadenas de polímero. Se ha dedicado mucho esfuerzo a comprender completamente la relación entre la estructura de red mesoscópica y las propiedades mecánicas macroscópicas de los hidrogeles. En este artículo, desarrollamos un enfoque de aprendizaje profundo para predecir las propiedades mecánicas de los hidrogeles a partir de las estructuras de red de polímero. Primero, se construyen modelos estructurales de red de hidrogeles a partir de una escala mesoscópica utilizando el método de caminata de evitación propia. El modelo construido es similar a la red de hidrogel real. Luego, se proponen dos modelos de aprendizaje profundo para capturar la asignación no lineal de la estructura de red de hidrogel mesoscópico a su propiedad mecánica a escala macro. Se implementa una red neuronal profunda y una red neuronal convolucional 3D que contienen la información física del modelo estructural de red para predecir las curvas de esfuerzo-deformación nominal de los hidrogeles bajo tensión uniaxial. Nuestros resultados muestran que el marco de aprendizaje profundo de extremo a extremo puede predecir efectivamente las curvas de esfuerzo-deformación nominal del hidrogel dentro de una amplia gama de estructuras de red mesoscópicas, lo que demuestra que los modelos de aprendizaje profundo pueden capturar la relación interna entre las estructuras de red complejas y las propiedades mecánicas. Esperamos que este enfoque pueda proporcionar orientación para el diseño estructural y el diseño de propiedades de materiales de diferentes materiales blandos.
Descripción
El hidrogel tiene una estructura de red compleja con una distribución aleatoria e inhomogénea de cadenas de polímero. Se ha dedicado mucho esfuerzo a comprender completamente la relación entre la estructura de red mesoscópica y las propiedades mecánicas macroscópicas de los hidrogeles. En este artículo, desarrollamos un enfoque de aprendizaje profundo para predecir las propiedades mecánicas de los hidrogeles a partir de las estructuras de red de polímero. Primero, se construyen modelos estructurales de red de hidrogeles a partir de una escala mesoscópica utilizando el método de caminata de evitación propia. El modelo construido es similar a la red de hidrogel real. Luego, se proponen dos modelos de aprendizaje profundo para capturar la asignación no lineal de la estructura de red de hidrogel mesoscópico a su propiedad mecánica a escala macro. Se implementa una red neuronal profunda y una red neuronal convolucional 3D que contienen la información física del modelo estructural de red para predecir las curvas de esfuerzo-deformación nominal de los hidrogeles bajo tensión uniaxial. Nuestros resultados muestran que el marco de aprendizaje profundo de extremo a extremo puede predecir efectivamente las curvas de esfuerzo-deformación nominal del hidrogel dentro de una amplia gama de estructuras de red mesoscópicas, lo que demuestra que los modelos de aprendizaje profundo pueden capturar la relación interna entre las estructuras de red complejas y las propiedades mecánicas. Esperamos que este enfoque pueda proporcionar orientación para el diseño estructural y el diseño de propiedades de materiales de diferentes materiales blandos.