IT之家 4 月 2 日消息，美國布朗大學與荷蘭代爾夫特理工大學（TU Delft）的最新合作成果，為人類實現星際旅行的夢想帶來了曙光。通過將超薄、高反射率材料與人工智慧優化的納米級設計相結合，研究團隊開發出了一種革命性的光帆（Lightsail），這種光帆不僅成本更低、製造速度更快，而且有望被擴展應用於像“突破攝星”（Breakthrough Starshot）計劃這樣的星際任務，將抵達附近恆星的時間從數千年縮短至數十年。

據IT之家瞭解，自 1977 年發射以來，美國太空總署（NASA）的“旅行者 1 號”探測器已經深入太空超過 150 億英里。儘管這一距離令人驚歎，但它仍未達到距太陽最近的恆星半人馬座 α 星距離的 1%。為了在人類有生之年抵達其他恆星，航太器的飛行速度必須遠超目前人類所建造的任何飛行器。

一種極具潛力的解決方案是“光帆”—— 一種薄而反光的薄膜，它利用光的壓力推動自身前進，類似於風推動帆船的方式。與傳統推進系統相比，光帆有望顯著縮短前往附近恆星的旅行時間，可能將數千年的時間縮短至僅幾十年。

如今，布朗大學和代爾夫特理工大學的研究人員開發出了一種新的設計和製造超薄、高反射率光帆薄膜的方法。在發表於《自然通訊》雜誌的研究中，團隊描述了一種直徑為 60 毫米、厚度僅為 200 納米（人類頭髮的數千分之一）的原型光帆，其表面覆蓋著數十億個納米級小孔，這些小孔減輕了重量並提高了反射率，使其在光驅動加速方面更加高效。

“這項工作是布朗大學理論家和代爾夫特理工大學實驗家的共同努力成果，使我們能夠設計、製造並測試迄今為止記錄的最大縱橫比的高反射率光帆。”布朗大學工程學院副教授、與代爾夫特理工大學副教授理查・諾特共同領導這項研究的米格爾・貝薩表示，“理查團隊的實驗突破證明了他們的製造工藝能夠擴展到星際旅行所需的尺寸，並且可以以一種成本效益高的方式進行。同時，我的團隊也非常高興看到我們最新的人工智慧優化方法在解決這樣一個有趣且困難的工程問題中發揮了關鍵作用。”

這項研究是實現“突破攝星”計劃目標的重要一步。該計劃由企業家尤里・米爾納和已故物理學家斯蒂芬・霍金創立，旨在利用地面鐳射為攜帶微型晶元航太器的數百個米級光帆提供動力。研究人員表示，這種新的光帆設計可以相對容易地擴展到米級，並且成本可控。

在設計中，團隊採用了單層矽氮化物，這種輕質且高強度的材料非常適合光帆設計。研究人員隨後致力於在最大限度提高其反射率的同時，盡可能減輕其重量。表面的反射率決定了帆后產生的光壓大小，進而決定了其加速速度。與此同時，較輕的材料需要更小的力來加速，因此品質越小，速度就越快。

優化過程包括設計一種納米級孔洞的圖案 —— 在材料表面分佈著數十億個直徑小於光波長的孔洞。貝薩的團隊，包括布朗大學博士生 Shunyu Yin，運用他們新開發的人工智慧方法來優化孔洞的形狀和位置，以提高反射率並減輕重量。

一旦確定了優化設計，由諾特領導的代爾夫特理工大學團隊便開始在實驗室中製造它。

“我們開發了一種新的氣體蝕刻技術，使我們能夠精細地去除帆下的材料，僅留下帆本身。”諾特說，“如果帆在製造過程中損壞，那很可能是在製造階段。一旦帆被懸空，它們實際上相當堅固。這些技術是在代爾夫特理工大學獨特開發的。”

研究人員表示，使用傳統方法製造這種設計將耗費昂貴且可能需要長達 15 年的時間。但採用諾特的技術，製造過程僅需大約一天時間，且成本降低了數千倍。研究人員認為，這種薄膜具有迄今為止任何光帆設計中最高的縱橫比 —— 釐米級長度但納米級厚度。他們希望這些方法不僅能幫助人類抵達恆星，還能推動納米級工程的極限發展。

“我們在研究中使用的新機器學習和優化技術非常通用。”貝薩說，“我們可以用它們來創造許多不同用途的不同東西。這真的只是一個開始。我們可能正處於解決迄今為止一直無法解決的工程問題的邊緣。”