材料设计，是指应用已知的理论与信息，预报具有预期性能的材料，并提出其制备合成方案。从工程角度，材料设计是依据产品所需材料的各项性能指标，利用各种有用信息，建立相关模型，制定具有预想的微观结构和性能的材料及材料生产工艺方法，以满足特定产品对新材料的需求。这是材料工作者需要不断奋斗的一项长期目标。
传统的材料设计方法通常涉及在宏观层面考虑材料特性，但是近年来出现了更先进的材料设计浪潮，涉及到纳米级别的材料。这种新的工程模式使科学家和工程师能够设计出更强、更轻、更灵活、制造成本更低的新材料。在这个过程中，人工智能（AI）和3D打印起着关键作用。
机器学习和预测建模是人工智能的一个强大子集，用以加速新材料的发现。设计人员只需在程序中输入所需的属性和算法，就可以预测哪些化学构建块可以在微观层面上组合，从而创建具有所需功能和属性的结构。
换句话说，工程师正在利用简单的构建块制造材料，并以允许开发具有相同高性能特性的大型材料的方式组装它们。AI使得计算机可以在很短的时间内解决问题，如果是工程师手工解决问题，需要的时间可能是AI的很多倍。
科学家们可以同时合成和测试数千种材料。但即使以这样的速度，盲目地尝试各种可能的组合也是浪费时间。这就是3D打印和其他先进制造方法发挥作用的地方。3D打印有助于材料科学领域的创新，因为它使工程师和设计师能够测试新材料。利用现代增材制造和其他实验技术，设计人员可以将这些新材料刻意地存放在空间的某一特定点，以构建任何尺度结构，从而验证或消除这种结果。每次发生这种情况时，都可以将更多数据发送回算法，以便AI随着时间的推移变得更智能。
人工智能在先进材料、设计和工程领域有着广阔的应用前景。专家们一致认为，它将成为几乎所有行业未来创新的基石。但挑战仍然存在，其中最主要的是：人工智能需要不断学习和训练，才能更加准确可靠。为了在材料科学中充分发挥人工智能的潜力，工程师、研究人员和科学家必须学习势必会改变行业的尖端工具和技术，才可能创造出下一个神奇的材料。