機(jī)器學(xué)習(xí)在新聚合物發(fā)現(xiàn)中的成功應(yīng)用

作為人工智能(AI)如何加速新材料發(fā)現(xiàn)的一個(gè)有力例子，科學(xué)家設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了具有高導(dǎo)熱性的聚合物 - 這一特性將成為熱管理的關(guān)鍵，例如，在第五階段 - 一代(5G)移動(dòng)通信技術(shù)。他們的研究強(qiáng)調(diào)了機(jī)器學(xué)習(xí)方法相對(duì)于傳統(tǒng)的高性能材料搜索方法的巨大優(yōu)勢(shì)。

包括Ryo Yoshida(信息與系統(tǒng)研究組織統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)研究所[ISM]創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制造數(shù)據(jù)科學(xué)中心主任)的聯(lián)合研究小組，Sunko Junko(材料與化學(xué)學(xué)院教授)技術(shù)，東京工業(yè)大學(xué)[東京技術(shù)])和徐一斌(熱管理和熱電材料集團(tuán)組長，信息集成材料研究中心，材料數(shù)據(jù)和集成系統(tǒng)研究和服務(wù)部[MaDIS]，NIMS)已經(jīng)證明了機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)的有希望的應(yīng)用 - 機(jī)器人學(xué)習(xí)是一種AI，它使計(jì)算機(jī)能夠從給定的數(shù)據(jù)中“學(xué)習(xí)” - 用于發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新材料。

研究人員在開放獲取期刊npj計(jì)算材料中報(bào)告了他們的研究結(jié)果，他們的ML方法涉及“轉(zhuǎn)移學(xué)習(xí)”，即使從極小的數(shù)據(jù)集中也可以發(fā)現(xiàn)具有所需特性的材料。

該研究利用了PoLyInfo的聚合物性能數(shù)據(jù)集，PoLyInfo是世界上最大的NIMS聚合物數(shù)據(jù)庫。盡管尺寸巨大，但PoLyInfo對(duì)聚合物的傳熱性能數(shù)據(jù)有限。為了根據(jù)給定的有限數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)傳熱特性，對(duì)代理屬性的ML模型進(jìn)行了預(yù)先訓(xùn)練，其中有足夠的數(shù)據(jù)可用于相關(guān)任務(wù); 這些預(yù)先訓(xùn)練的模型捕獲了與目標(biāo)任務(wù)相關(guān)的共同特征。即使對(duì)于非常小的數(shù)據(jù)集，在目標(biāo)任務(wù)上重新利用這種機(jī)器獲取的特征也產(chǎn)生了出色的預(yù)測(cè)性能，好像經(jīng)驗(yàn)豐富的人類專家即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)較少的任務(wù)也可以做出合理的推理。該團(tuán)隊(duì)將該模型與專門設(shè)計(jì)的ML算法結(jié)合起來進(jìn)行計(jì)算分子設(shè)計(jì)，這被稱為先前由吉田和他的同事開發(fā)的iQSPR算法。應(yīng)用這種技術(shù)啟用了識(shí)別!

成千上萬有希望的“虛擬”聚合物。

從這大量候選物中，根據(jù)其易于合成和加工選擇了三種聚合物。

測(cè)試證實(shí)，新型聚合物的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)0.41瓦/米 - 開爾文(W / mK)。這個(gè)數(shù)字比典型的聚酰亞胺高80%，聚酰亞胺是一組常用的聚合物，自20世紀(jì)50年代以來大量生產(chǎn)用于從燃料電池到炊具的應(yīng)用。

通過驗(yàn)證計(jì)算設(shè)計(jì)聚合物的傳熱性能，該研究代表了快速，經(jīng)濟(jì)，ML支持的材料設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵突破。它還展示了該團(tuán)隊(duì)在數(shù)據(jù)科學(xué)，有機(jī)合成和先進(jìn)測(cè)量技術(shù)方面的綜合專業(yè)知識(shí)。

Yoshida評(píng)論說，許多方面仍有待探索，例如通過添加更合適的描述符來“訓(xùn)練”計(jì)算系統(tǒng)以處理有限的數(shù)據(jù)。“聚合物或軟材料設(shè)計(jì)的機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性但前景廣闊的領(lǐng)域，因?yàn)檫@些材料具有與金屬和陶瓷不同的特性，并且現(xiàn)有理論尚未完全預(yù)測(cè)，”他說。

這項(xiàng)研究是發(fā)現(xiàn)其他創(chuàng)新材料的起點(diǎn)，Morikawa補(bǔ)充道：“我們希望嘗試創(chuàng)建一個(gè)ML驅(qū)動(dòng)的高通量計(jì)算系統(tǒng)，為超越5G時(shí)代的應(yīng)用設(shè)計(jì)下一代軟材料。通過我們的項(xiàng)目，我們的目標(biāo)不僅是追求材料信息學(xué)的發(fā)展，而且還有助于材料科學(xué)的基本進(jìn)步，特別是在聲子工程領(lǐng)域。“

這項(xiàng)工作是作為“信息集成材料研究”計(jì)劃(MI 2 I)的一部分進(jìn)行的，該計(jì)劃是由科學(xué)技術(shù)廳(JST)選擇的開放式創(chuàng)新加速器，作為啟動(dòng)創(chuàng)新中心的支持計(jì)劃，由NIMS實(shí)施。