【浙江日報(bào)】人工智能加速新材料設(shè)計(jì)研發(fā)?為萬米深地鉆探打造“金剛甲”
萬米深的地底下，溫度最高可達(dá)兩三百攝氏度，壓力之強(qiáng)足以壓扁一輛汽車。在堪比“地心探險(xiǎn)”的鉆探作業(yè)中，鉆具如何保持“金剛不壞之身”？
前不久，位于四川劍閣的中石油“深地川科1井”鉆探深度突破10000米。這一全球地質(zhì)條件最復(fù)雜、鉆井難度最高的深地“超級工程”目前已深入5.4億年前的震旦系地層，標(biāo)志著我國在地球深部能源探索領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。記者了解到，該項(xiàng)目動力鉆具所使用的高性能金屬陶瓷復(fù)合材料，正是由中國科學(xué)院寧波材料所海洋關(guān)鍵材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)的。
“鉆探工具的效率與材料耐磨、耐高溫等性能息息相關(guān)。金屬陶瓷復(fù)合材料兼具金屬的‘韌’和陶瓷的‘硬’，制造鉆具再合適不過。”該實(shí)驗(yàn)室副主任、國家優(yōu)秀青年基金獲得者?？煽裳芯繂T介紹。
常可可向記者展示了一部分復(fù)合材料試制樣品——乍看外觀呈黑灰色，略有光澤的材料，和普通金屬塊沒啥太大區(qū)別，但這種由碳化鎢-鈷、碳化鈦-鎳等化合物組成的塊體材料卻具有神奇的物理性能：耐磨性相比國外同類產(chǎn)品高出15%~30%，更可承受高達(dá)130兆帕的極限壓強(qiáng)和200~300攝氏度高溫。得益于此，應(yīng)用這些材料制造的動力鉆具在使用壽命上可達(dá)500小時以上，堪稱不折不扣的全球領(lǐng)先。
“百余年來，這種鉆具材料的主體結(jié)構(gòu)幾乎沒變，但具體配方和改性元素的添加卻是秘密。此外，材料制備、燒制環(huán)節(jié)也有賴于一套成熟的工藝和裝備?！背？煽山忉尩?，經(jīng)驗(yàn)造就的技術(shù)壁壘，讓少數(shù)西方國家牢牢掌控著高端市場，其他國家不要說超越，連追趕都十分困難。
困難主要體現(xiàn)在兩個方面。首先是找到理想的材料配方有點(diǎn)像大海撈針，依賴大量的運(yùn)算還需要一點(diǎn)點(diǎn)運(yùn)氣；其次，鉆探行業(yè)對工程鉆具的穩(wěn)定性要求非常高，一般的工程項(xiàng)目又不敢貿(mào)然使用新開發(fā)的鉆具產(chǎn)品，這導(dǎo)致從實(shí)驗(yàn)室成果到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的周期十分漫長。
為此，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用了“AI+新材料”的研發(fā)模式。
打開實(shí)驗(yàn)室自主開發(fā)的“深海深地鉆探用耐磨蝕金屬陶瓷復(fù)合材料智能設(shè)計(jì)平臺”，一張發(fā)著幽藍(lán)光芒的元素周期表很是醒目?？蒲腥藛T只需點(diǎn)選其中的幾種材料，如碳、鎢、鈷等，平臺就會根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)性能，自動生成一系列“新配方”，并給出相應(yīng)復(fù)合材料的能力預(yù)測報(bào)告。
“新材料開發(fā)有點(diǎn)像炒菜，配料、火候、加工工藝缺一不可?！背？煽筛嬖V記者，他們先讓平臺借助各類通用大模型學(xué)習(xí)基礎(chǔ)的材料學(xué)、物理及化學(xué)知識等，再將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、技術(shù)專利等傾囊相授，最終培育出一個不但“聰明”而且可以持續(xù)進(jìn)階的AI模型，作為科研攻關(guān)的“大腦”。
思路不難理解，但這個“大腦”在搭建過程中仍需突破不少技術(shù)瓶頸。譬如，如何從浩如煙海的文獻(xiàn)庫中找出可用的數(shù)據(jù)？另外，鉆探行業(yè)十分特殊，服役產(chǎn)品對應(yīng)用場景的環(huán)境要求更是苛刻，智能研發(fā)平臺如何通過程序設(shè)計(jì)，來逆向確認(rèn)有效的新材料開發(fā)工藝？
“粗略算了下，我們僅為這個項(xiàng)目開展的多尺度高通量計(jì)算和高通量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就超過10萬條，由文獻(xiàn)提取出涵蓋知識和數(shù)據(jù)的問答多達(dá)50萬條?！背？煽烧f。
數(shù)據(jù)顯示，該智能設(shè)計(jì)平臺對材料性能的預(yù)測精度超過了90%，這意味著科研團(tuán)隊(duì)可以省去很多新材料的測試驗(yàn)證時間，用極短的時間鎖定最優(yōu)解。
有聰明的“大腦”，更要有雙靈巧的“手”。在寧波材料所“機(jī)器人化海洋材料學(xué)家”無人實(shí)驗(yàn)室里，記者看到數(shù)臺智能移動機(jī)器人正靜悄悄地采集著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
人形機(jī)器人大熱的當(dāng)下，為新材料研發(fā)服務(wù)的機(jī)器人產(chǎn)品卻尚未有成熟方案，這意味著科研團(tuán)隊(duì)需要在完全沒有可參考范例的情況下，打造出可以高效“打輔助”的實(shí)驗(yàn)機(jī)器人。
聯(lián)合寧波材料所的另一個科研團(tuán)隊(duì)，?？煽蓤F(tuán)隊(duì)搭建起一條能夠和“智能設(shè)計(jì)平臺”高效銜接的無人實(shí)驗(yàn)流水線。此外，他們又通過機(jī)器語言模擬，為流水線上的移動機(jī)器人裝上了類似螺絲刀的簡易手，使其擁有了能夠模仿科研人員進(jìn)行簡單實(shí)驗(yàn)操作的能力。
“既能準(zhǔn)確執(zhí)行智能設(shè)計(jì)平臺的指令，又能高效完成數(shù)據(jù)采集和分析工作，這樣的實(shí)驗(yàn)室在行業(yè)內(nèi)還是比較領(lǐng)先的?！背？煽勺院赖卣f，經(jīng)過近一年的試驗(yàn)，這些移動機(jī)器人已能基本替代人力，完成新材料的結(jié)構(gòu)分析、性能驗(yàn)證等工作，工作效率相比傳統(tǒng)模式提升50%以上。
得益于AI模型和無人實(shí)驗(yàn)室的助力，?？煽蓤F(tuán)隊(duì)開發(fā)出一系列高性能的井下鉆具用金屬陶瓷復(fù)合材料。通過和中石油北京石油機(jī)械有限公司、濰坊珀琦石油機(jī)械有限公司等企業(yè)深度合作，他們又成功開展了新型金屬陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)化徑向軸承、插接式萬向軸等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究，相關(guān)產(chǎn)品已在“深地川科1井”7500米~10000米井深段全面實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代。
“我們不但在和國外同行同賽道比拼中實(shí)現(xiàn)后來者居上，還通過AI工具，開發(fā)出更多新的金屬陶瓷復(fù)合材料方案，這為更高水平深地鉆探技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)?！背？煽赏嘎叮麄冋\劃將這個智能平臺向社會開放，通過數(shù)據(jù)的持續(xù)輸入更新，使其在新材料研發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。
研究人員探討耐磨蝕金屬陶瓷復(fù)合材料成分設(shè)計(jì)方案
（原文發(fā)布于《浙江日報(bào)》（2025年11月26日（前沿周刊/科技））
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