在现代航天探索领域，实现高速、低成本、远距离星际旅行始终是科学界的终极挑战之一。传统推进技术往往因能量限制和推进效率不足，在前往临近恒星的任务中表现出长达数千年的飞行时间。近期，突破性技术方案——基于超轻质光帆的激光推力推进，在理论和实验层面亮起了希望之光。尤其是采用光子晶体设计的光帆镜面，凭借其纳米级孔洞结构和极低质量，成为星际飞行中主要加速器件的核心选择。近期发表在《自然通讯》上的一项研究探讨了一种创新的五边形光子晶体镜面，采用神经拓扑优化技术实现了供星际光帆使用的高加速度设计。该设计不仅兼顾了性能极限，也突破了制造尺度和成本瓶颈，开启了可扩展、经济高效的光帆制造新纪元。
星际任务的推进器核心——光帆材料需具备超低质量、极高反射率和广谱反射性能以应对高速运动引起的多普勒红移挑战。单层氮化硅（SiN）光子晶体凭借其成熟的半导体工艺基础、低吸收和力学稳定性，成为理想选择。然而，设计面临着极端的权衡：更细的结构带来更优越的反射性能和更轻的质量，但也伴随着制造复杂度和成本的提升。光子晶体中的孔洞最小特征尺寸（MFS）直接决定了光学性能及其制造难度。大型光帆面积达到数平方米甚至十平方米级别，若采用传统电子束光刻技术，制造时间将极其漫长，成本高昂，难以满足反复发射要求。为此，研究团队利用神经拓扑优化，将传统的拓扑优化方法与机器学习强有力结合，以全新的方式寻找满足多目标（反射率、质量和成本）平衡的光子晶体设计，重点纳入了区域填充率（Area Fraction）以隐性控制最小特征尺寸。
在优化过程中，逐渐发现传统的方形和六边形光子晶体格局难以同时兼顾加速性能和制造可行性。全新的五边形格局，通过多种大小和形状的孔洞有机布局，实现反射峰的多频叠加，扩大了宽带反射波段，提升了光帆的整体加速效率。该设计实现加速时间明显缩短，降低了激光照射时间及能耗，进而减少发射成本。制造上，团队通过将光刻工艺切换至成本更低、效率更高的i线光学光刻技术，结合五边形光子晶体的大尺寸特征实现，成功制造出60×60毫米、厚度仅200纳米的悬浮SiN光子晶体膜，包含逾15亿个纳米孔洞。这样的规模和结构比例，是迄今为止最高纵横比的纳米光子元件，且制造成本相比以往降低了9000倍。实验结果显示，成品光子晶体膜的反射谱与仿真高度吻合，表明设计与制造方法的有效性和稳定性。
此外，材料的高拉伸预应力确保了薄膜的机械稳定性，能承受激光辐射带来的热和机械应力，具备实用的空间应用潜力。五边形格局不仅带来了卓越的光学性能，也在设计上通过较高的区域填充率，提升了结构稳固性和散热性能。散热能力对于避免材料因高功率激光照射而热断裂尤为重要，这在未来光帆的实际运行中意味着更好的寿命和安全性。该研究还特别强调，星际探索项目需以“多发多管齐下”的方式发射大量光帆，降低单次任务失败风险。因此，光帆的经济制造和快速生产能力与其性能同等关键。神经拓扑优化技术在设计中增添成本敏感因素，最终产出既能极大提升飞行器加速度又兼顾经济效益的设计方案，彰显了跨学科人工智能工具在高端航天器设计中的潜力。
从更广阔的前景看，该技术不仅适用于Alpha Centauri这样的邻近恒星探测，也将显著促进在太阳系内及更远深空的轻量级无人探测器部署。未来研究将围绕综合多目标优化，融合结构强度、热稳定性以及宽带光学稳定性进行，继续完善光帆在实际极端环境中的表现。值得一提的是，随着半导体制造工艺向400毫米晶圆扩展，目前的制造流程理论上可实现更大尺寸光子晶体光帆的量产，配合进一步的神经拓扑优化，预计加速性能和制造成本将持续优化。五边形光子晶体镜面以其独特几何特征为光子晶体设计注入全新活力，推动光帆材料设计从实验走向实用。在推动星际探索的征程中，它代表了光学工程、材料科学与人工智能协同创新的典范。凭借这一技术突破，未来人类将更接近实现以光帆翅膀翱翔星际，开启属于我们的星际航行新纪元。
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