新智元報道
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《資料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資料中心進行。
Meta資料中心緻力于為網際網路提供動力，效率和清潔能源是其設計、建設和營運的關鍵。
其設計源自CVAE模型。
CVAE模型
混凝土是世界上使用最廣泛的工程材料，每年生産超過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，每年産生的二氧化碳約占全球碳排放量的8%。
現在，科學家通過AI建立混凝土配方，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，使用的模型是基于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模型結構
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，編碼器将這些輸入，結合隐層變量Z，生成新的配比公式。
研究人員使用混凝土抗壓強度資料集來訓練CVAE模型，這個資料集包含了1030個訓練示例。
其中，7個連續特征描述了水泥、骨料和水等組成配比，資料集訓練了基于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，進而實作了碳排放量減少。
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%，同時也實作了硫減排量達21%。
這些圓柱體照片是根據新配方制作的混凝土結構，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，以恒定速率施加載荷，直到樣本失效或者斷裂(如上圖所示），并記錄極限載荷。
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，碳排放量與原有資料進行對比，AI混凝土配方大約将二氧化碳排放量減半。
在第1種方案中可見，原來282.36m 的碳排放，減至154.11m ，少了近一半。
參考資料：
https://arxiv.org/abs/2204.05397