沈涵 科技日報記者 王春

給建筑外表面噴上一種特殊的“涂料”，如同給它披上“自動降溫外套”，比商用白漆涂覆表面降低5.3℃。這種神奇的熱輻射超材料由上海交通大學周涵團隊構建的熱輻射超材料逆向設計AI模型來設計。

該模型突破了傳統光學超材料設計依賴經驗和反復試錯而費時費力且只能局部優化的局限，能夠根據所需光譜特性，快速、精準、大批量地生成相應超材料的多種設計方案。作為人工智能熱輻射超材料領域的重大原創突破，周涵團隊的這一科研成果已于7月2日晚發表于《自然》。

構建5萬組數據樣本，給AI模型喂足“學習資料”

生活在火山口附近的天牛，其體表覆蓋的絨毛微結構為三棱柱狀，斜邊還分布著球形小凸起，這種獨特的結構組合使得天牛在可見波段和紅外波段具備高光學反射率，實現體表降溫，從而耐受70℃高溫環境。不止天牛，大自然中很多生物體都具有超常光學和熱學特性的三維拓撲構型，研究團隊從中獲得靈感，提煉出多種三維結構單元和空間排列方式，并通過首創的“三平面建模法”實現了對三維結構單元的精準描述，建立了擁有5萬多組數據、涵蓋多種微納尺度結構的“材料－超構模型－光譜性能”數據庫。

“我們利用AI僅用3個月就篩選出了1500多組數據，如果用常規方法先猜可能有效的材料組合和結構組合，再一個個去仿真模擬驗證性能，需要的時間就是個天文數字。”上海交通大學材料科學與工程學院周涵教授說。

基于該數據庫，團隊訓練并構建了熱輻射超材料逆向設計AI模型。在團隊的設想中，在該模型中輸入想要的“理想結果”，比如在某個波段能高效散熱，在另一個波段能反射陽光，AI就能自動去組合材料和設計結構，最終生成出多種適合的超材料體系。

“2021年的時候我們已經做出了一個AI模型的框架，但因為在這個方向上沒有可借鑒的文獻，之后幾年我們一直在對這個模型進行修改、打磨文章。”團隊成員之一、上海交通大學材料科學與工程學院博士生肖誠禹告訴記者，他們設定的目標不僅僅是設計材料，更是要實現寬波段、多維度、多目標的極限優化。

經過漫長的前期調試，團隊終于開發出適配復雜結構、不同空間排布、多材料體系的AI模型。在模型中輸入光譜需求后，AI就能自動生成最優材料結構與組合，快速輸出可行的候選方案。“1秒鐘就能生成2000個設計方案。”肖誠禹說。

多類型材料實測驗證，讓科研走進生活

為驗證該模型的實際效能，團隊用模型設計了4種針對特定應用的熱輻射超材料，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，分別做成柔性薄膜、貼片、涂料等不同形式，用在多種場景實測它們能否真正帶來“零能耗降溫”。

根據實測結果，無論是晴天正午，還是多云條件……這些AI設計的材料在屋頂、沙漠等不同的應用環境都能實現穩定的降溫效果，充分展示了該模型在建筑節能、城市熱島效應緩解等領域的應用潛力。

值得一提的是，這些材料只需簡單溶液法即可在室溫制備，以涂料形式噴或刷在屋頂、玻璃、塑料、金屬上即可使用。模擬數據顯示，在中低緯度地區的建筑應用中，每平方米屋頂一年可節約約20度電，為未來打造“零能耗降溫”城市提供了創新解決方案。