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離開實驗室的材料科學:AI正將新材料的發現過程提速200倍

發布日期:2018-05-23 13:01:30 【關閉】
摘要:幾百年來,人們一直是通過反復試驗或者靠運氣和偶然發現新材料。現在,科學家們正在使用人工智能來加速這一過程。

幸运彩票快三开奖查询 www.nkteqk.com.cn 幾百年來,人們一直是通過反復試驗或者靠運氣和偶然發現新材料。現在,科學家們正在使用人工智能來加速這一過程。

最近,西北大學的研究人員用AI來解決如何生成新的金屬玻璃混合物的問題。這比起在實驗室進行實驗快了200倍。

科學家們正在構建由數千種化合物組成的數據庫,以便用算法來預測哪些化合物的組合會形成有趣的新材料?;褂腥擻肁I來分析已發表的論文挖據“材料配方”以產生新材料。

過去,科學家和建筑工人們只能將材料混合在一起看看能形成什么。比如,水泥就是這樣被發現的。隨著時間的推移,他們學習了各種化合物的物理特性,但大部分知識仍然只是基于直覺。

“如果你問為什么日本水淬鋼用于制作刀具最好,我覺得誰都回答不了,”美國國家標準與技術研究院材料基因倡導小組的主任James Warren說,“對于這種內部結構與迷人外表之間的關系,它們只有一種根據經驗而來的理解?!?

Warren說,我們現在可以利用數據庫和計算機來快速確定是什么讓材料變得更堅固或更輕,而不是憑經驗,這有可能變革整個行業。此外,原本發現一種材料并將其整合成產的時間可能需要超過20年,加速這一過程勢必會使我們獲得更好的手機電池和屏幕,更好的用于火箭的合金材料,以及更好的健康設備傳感器。

“任何事情只要是由物質造成的,我們就可以改進?!蔽致姿?。

正如Warren所說,為了理解新材料是如何制造的,我們可以把材料科學家想象成廚師。假設你有雞蛋,并且你喜歡有嚼頭的食物,這些就是你想要的菜肴的特點,但你該怎么做呢?為了創建一個蛋白和蛋黃都結實的結構,你需要一個配方,其中包含根據你想要的結果處理雞蛋的步驟,比如煮老一點。

材料科學使用相同的概念:如果一位科學家想要某些材料特性(比如說,輕便又堅韌),她會尋找可以產生這些特性的物理和化學結構,以及需要通過哪種處理過程,比如對金屬進行熔化或捶打,來創造這樣的結構。

建立“材料云”數據庫,雖不完美但已為科學家們創造了捷徑

數據庫和計算技術可以幫助人們找到答案?!拔頤嵌圓牧轄辛孔恿ρЪ侗鸕募撲?,這種計算非常復雜,因此我們可以在實驗室中合成一種可能的新材料之前,就用計算機預測出它的屬性?!蔽鞅貝笱Р牧峽蒲Ъ褻hris Wolverton說,他主管開放量子材料數據庫。其他主要數據庫包括材料項目和材料云。數據庫還不完整,但數據量一直在增長,并且已經從中找到了令人興奮的發現。

瑞士洛桑聯邦理工大學研究員Nicola Marzari利用數據庫查找可剝離的3D材料,以創建僅有一層的2D材料。比如,被炒得沸沸揚揚的石墨烯,它由單層石墨(也就是鉛筆芯的材料)組成。像石墨烯一樣,這些2D材料可以具有非凡的特性,如強度,而這在其3D形態中是不存在的。

Marzari的團隊用算法篩選來自多個數據庫的信息。他上個月在《自然納米技術雜志》上發表的文章中寫到,該算法在超過100,000種材料中,最終發現可以剝離成一層的材料大約有2,000種。

Marzari管理的“材料云”是一個材料“寶藏”,因為許多材料具有可以改善電子設備的特性,有些可以很好地傳導電力,有些可以將熱量轉化為水,有些可以吸收太陽能:它們可以用于計算機或電池中的半導體,因此Marzari團隊的下一步就是密切研究這些可能的特性。

Marzari的工作是科學家如何使用數據庫來預測哪些化合物可能會產生令人興奮的新材料的一個例子。然而,這些預測仍需要在實驗室中得到證實。并且Marzari仍然需要給他的算法定義某些規則,比如尋找弱化學鍵。AI可以創建一條捷徑:科學家可以告訴AI他們想要創造的東西,比如超強材料,而不是編制特定的規則,然后AI會告訴科學家生成新材料最佳實驗方法。

Wolverton和他在西北大學的團隊在本月出版的Science Advances雜志上的一篇論文中描述了AI 的運用。研究人員渴望研制新的金屬玻璃(非晶態合金),這種玻璃比金屬或玻璃更結實,但硬度卻更低,未來可以用于改進手機和航天器。

斯坦福大學SLAC國家加速器實驗室的共同研究者Apurva Mehta說,他們使用的AI方法與人們學習新語言的方式類似。語言學習的其中一種方法是坐下來記住所有的語法規則?!暗硪恢盅胺椒ň褪強烤楹吞鶉慫禱?,”Mehta說。

他們的做法是把兩者組合起來。首先,研究人員瀏覽盡可能多的已發表的論文,了解如何制作不同類型的金屬玻璃。接下來,他們將這些“語法規則”提供給機器學習算法。然后該算法學會自己預測哪些元素的組合會創造一種新的金屬玻璃形式,這類似于通過去法國居住來改善法語,而不是無休止地背詞性變化表。Mehta的團隊隨后在實驗室中檢驗了機器學習系統給出的建議。

科學家一次可以合成和測試數千種材料。但即使以這樣的速度,盲目嘗試每種可能的組合還是很浪費時間?!八遣荒馨顏鱸刂芷詒磯寄美醋齔⑹?,”Wolverton說,所以AI的作用是“為他們提供幾個入手點”。

AI的結果并不完美,還不能給出更進一步的建議,比如所需元素的確切比例,但科學家們確實能夠用AI的結果生成新的金屬玻璃。另外,測試AI給出的結果意味著他們現在有更多的數據可以反饋給算法,所以每次重新預測都會變得更智能。

創建一份“食譜”或材料配方集

使用AI的另一種方式是創建一個“食譜”或材料配方集。在去年年底發表的兩篇論文中,麻省理工學院的科學家開發了一種機器學習系統,可以掃描學術論文,找出哪些論文包含制作某種材料的說明。它檢測出哪些段落包含“配方”的準確率高達99%,并且該段落中找出原話的準確度有86%。

麻省理工學院團隊現在正在對AI系統進行更精確的訓練。他們希望為整個科學界創建這種“食譜”數據庫,但他們需要與這些學術論文的出版商合作,以確保其收集不違反任何協議。最終,團隊還希望能夠訓練系統閱讀論文,然后自行制作新的“食譜”。

麻省理工學院材料科學家及共同研究者Elsa Olivetti:“我們的其中一個目標是對于已經發現的材料,找到更有效,更低成本的生成方法。另一個目標是,對于計算機預測出的化合物,我們能否提出一系列更好的方法來生成它?”

挑戰:模型預測考慮不到現實因素

人工智能和材料科學的未來看起來很有前景,但依然存在挑戰。首先,計算機無法預測一切?!罷廡┰げ獗舊砭陀寫砦?,并且經常是在簡化的材料模型基礎上預測,而不考慮真實情況”,EPFL的Marzari說。有各種各樣的環境因素會影響化合物的行為,比如溫度和濕度,大多數模型沒有考慮這些因素。

Wolverton認為另一個問題是我們仍然沒有足夠多的的所有化合物的數據資料,缺乏數據意味著算法不會很智能。也就是說,他和Mehta現在希望在除金屬玻璃以外的其他類型的材料上使用他們的方法。他們希望有一天,生成新材料不再需要由人來做實驗,而只是AI和機器人就夠了?!拔頤強梢源唇ㄒ桓穌嬲耆災韉南低?,”Wolverton說,“沒有任何人參與的系統?!?