基于AI的方法可以加速專用納米粒子的開發(fā)

麻省理工學院物理學家開發(fā)的一項新技術有朝一日可以提供一種定制設計具有所需特性的多層納米粒子的方法，可用于顯示器，隱形系統(tǒng)或生物醫(yī)學設備。它也可以幫助物理學家解決各種棘手的研究問題，在某些情況下可能比現(xiàn)有方法快幾個數(shù)量級。

該創(chuàng)新使用計算神經(jīng)網(wǎng)絡，一種人工智能，“學習”納米粒子的結構如何影響其行為，在這種情況下，基于成千上萬的訓練樣例，它散布不同顏色的光。然后，在學習了這種關系之后，該程序基本上可以向后運行以設計具有所需光散射特性的粒子 - 一個稱為逆設計的過程。

研究結果發(fā)表在“ 科學進展 ”雜志上，麻省理工學院高級研究員John Peurifoy，研究會員沉一辰，研究生李靜，物理學教授MarinSolja?i?和其他五篇研究報告。

Solja?i?說，雖然這種方法最終可能導致實際應用，但這項工作主要是科學上的興趣，作為一種預測各種納米工程材料的物理特性的方法，而不需要通常用于解決這些問題的計算密集型模擬過程。

Solja?i?說，目標是研究神經(jīng)網(wǎng)絡，這個領域近年來已經(jīng)取得了很多進展并引起了興奮，看到“我們是否可以使用其中的一些技術來幫助我們進行物理研究。所以基本上，計算機是否“足夠智能”，以便他們可以做一些更聰明的任務來幫助我們理解和使用某些物理系統(tǒng)?“

Shen解釋說，為了測試這個想法，他們使用了一個相對簡單的物理系統(tǒng)。“為了理解哪些技術是合適的，并了解限制以及如何最好地使用它們，我們[在一個特定系統(tǒng)上使用神經(jīng)網(wǎng)絡]用于納米光子學，即球形同心納米粒子系統(tǒng)。”納米粒子像洋蔥一樣分層，但每層由不同的材料制成，并具有不同的厚度。

納米顆粒具有與可見光波長相當或更小的尺寸，并且不同顏色的光從這些顆粒散射的方式取決于這些層的細節(jié)和入射光束的波長。計算多層納米粒子的所有這些效應對于多層納米粒子來說可能是一項密集的計算任務，隨著層數(shù)的增加，復雜性變得更加嚴重。

研究人員希望看看神經(jīng)網(wǎng)絡是否能夠預測新粒子散射光的顏色的方式 - 不僅僅是通過在已知例子之間進行插值，而是通過實際計算出一些允許神經(jīng)網(wǎng)絡推斷的基礎模式。

“模擬非常精確，所以當你將它們與實驗進行比較時，它們都會逐點相互重現(xiàn)，”Peurifoy說，他明年將成為麻省理工學院的博士生。“但它們在數(shù)字上相當密集，因此需要相當長的時間。我們想要看到的是，如果我們向神經(jīng)網(wǎng)絡展示這些粒子，許多不同粒子的一堆例子，神經(jīng)網(wǎng)絡是否可以為它發(fā)展“直覺”。

果然，神經(jīng)網(wǎng)絡能夠合理地預測光散射與波長圖的確切模式 - 不完美，但非常接近，并且在更短的時間內完成。Jing說，神經(jīng)網(wǎng)絡模擬“現(xiàn)在比精確模擬快得多”。“所以現(xiàn)在你可以使用神經(jīng)網(wǎng)絡而不是真正的模擬，它會給你一個相當準確的預測。但它帶來了價格，而且價格是我們必須首先訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，為了做到這一點，我們必須產(chǎn)生大量的例子。“

但是，一旦網(wǎng)絡被訓練，任何未來的模擬都將獲得加速的全部好處，因此對于需要重復模擬的情況，它可能是一個有用的工具。但該項目的真正目標是了解方法，而不僅僅是這個特定的應用程序。“我們對這個特定系統(tǒng)感興趣的主要原因之一是讓我們了解這些技術，而不僅僅是模擬納米粒子，”Solja?i?說。

下一步是基本上反向運行程序，使用一組所需的散射屬性作為起點，看看神經(jīng)網(wǎng)絡是否可以計算出實現(xiàn)該輸出所需的納米粒子層的精確組合。

“在工程領域，已經(jīng)開發(fā)了許多不同的技術用于逆向設計，這是一個巨大的研究領域，”Solja?i?說。“但是經(jīng)常為了設置一個給定的逆設計問題，需要花費相當長的時間，所以在很多情況下你必須成為該領域的專家，然后有時甚至花幾個月來設置它以解決它。”

但是通過團隊訓練的神經(jīng)網(wǎng)絡，“我們沒有為此做任何特殊準備。我們說，'好吧，我們試著讓它向后跑。' 令人驚訝的是，當我們將它與其他更標準的逆向設計方法進行比較時，這是最好的方法之一，“他說。“它實際上比傳統(tǒng)的逆向設計更快。”

共同作者沉說：“我們必須做的最初動機是建立一個通用的工具箱，任何一個不是光子學專家的普通受過良好教育的人都可以使用。......這是我們最初的動機，對于這個特殊情況，它顯然效果很好。“

某些逆向設計模擬的加速可能非常顯著。Peurifoy說：“很難對蘋果進行精確的比較，但你可以有效地說你有數(shù)百倍的收益。因此，收益非?？捎^ - 在某些情況下，收益從幾天到幾分鐘。“

該研究由科學基金會，半導體研究公司和陸軍研究辦公室通過士兵納米技術研究所提供支持。參與這項工作的其他人包括：Yi Yang，F(xiàn)idel Cano-Renteria，John D. Joannopoulos和Max Tegmark，他們都來自麻省理工學院; 和陸軍埃奇伍德化學生物中心的Brendan G. Delacy。