編輯：時光 snailnj
【新智元導讀】什麼？AI開始配混泥土了？土木工程師：我可以「畢業」了。利用AI計算出來的混泥土配方，可以減少40%的碳排放。這項研究是由高校和企業合作完成，美國南加州大學電子與計算機工程系的Xiou Ge為第一作者，Meta、IBM等研究中心均參與其中。論文題為Accelerated Design and Deployment of Low-Carbon Concrete for Data Centers，即《數據中心加速設計和部署的低碳混凝土》。目前，這種低碳混泥土的強度和減排效果已經得到了有效測試，在美國伊利諾伊州Meta數據中心進行。Meta數據中心致力於為互聯網提供動力，效率和清潔能源是其設計、建設和運營的關鍵。混凝土是世界上使用最廣泛的工程材料，每年生產超過100億噸。不幸的是，這種使用規模帶來了能源、水、溫室氣體和其它污染物排放的巨大負擔。混泥土一般是由水泥、骨料、水和摻合劑組成，可以含有幾十種甚至數百種成分。所謂骨料是指礫石、碎石、沙子等。這樣任意配比的混泥土，每年產生的二氧化碳約占全球碳排放量的8%。現在，科學家通過AI創建混凝土配方，以最大限度地減少環境負擔，同時滿足工程性能要求，包括抗壓強度等。在這項研究中，使用的模型是基於VAE（Variational autoencoder，變分自編碼器）的一個變體，稱為CVAE（Conditional variational autoencoder），即條件變分自編碼器。這個CVAE模型是一種半監督的生成性AI模型，可以發現所期望的具體配比公式。CVAE設計為一個編碼器和解碼器的結構。編碼器輸入包括環境影響、時間、強度變量和具體公式，編碼器將這些輸入，結合隱層變量Z，生成新的配比公式。研究人員使用混凝土抗壓強度數據集來訓練CVAE模型，這個數據集包含了1030個訓練示例。其中，7個連續特徵描述了水泥、骨料和水等組成配比，數據集訓練了基於神經網絡的回歸模型，以預測混凝土配方的環境影響和強度。研究表明，CVAE可以設計出比現有配方碳排放低得多的AI混凝土配方，實驗通過生成更好的樣本，從而實現了碳排放量減少。以14天左右、60兆帕強度為例，經過模型設計的混泥土平均碳減排量達42%，同時也實現了硫減排量達21%。這些圓柱體照片是根據新配方製作的混凝土結構，正在實驗室進行壓縮測試。在固化7天和28天後，研究人員使用Forney試驗機對混凝土圓柱體進行抗壓強度試驗，以恆定速率施加載荷，直到樣本失效或者斷裂(如上圖所示），並記錄極限載荷。這是5種AI生成的混凝土試驗抗壓強度結果，以及相應的碳排放量統計。研究表明，使用這個模型生成的混泥土配方，碳排放量與原有數據進行對比，AI混凝土配方大約將二氧化碳排放量減半。
在第1種方案中可見，原來282.36m³的碳排放，減至154.11m³，少了近一半。參考資料：
https://arxiv.org/abs/2204.05397
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