91儀器信息網(wǎng)訊 大量的實驗數(shù)據(jù)正在產(chǎn)生各類材料的特性。例如，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院擁有65個數(shù)據(jù)庫，其中一些數(shù)據(jù)庫的測量數(shù)量高達(dá)67,500個。此外，以能源材料為例，自2010年以來，光是有關(guān)電池和太陽能電池的科學(xué)論文就發(fā)表了超過170多萬篇。

近年來，機器學(xué)習(xí)在材料科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。通過利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練，許多還沒有實驗和理論數(shù)據(jù)的化合物性質(zhì)可以被預(yù)測出來，從而大大加速材料領(lǐng)域的科研發(fā)現(xiàn)。

機器學(xué)習(xí)在材料科學(xué)中的應(yīng)用之一是建立結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，它試圖在材料指紋(包括組成元素的特征、原子結(jié)構(gòu)信息以及這些特征的任何組合)和我們感興趣的目標(biāo)屬性之間建立預(yù)測關(guān)系。

然而將材料的結(jié)構(gòu)與其功能相聯(lián)系在一起需要完成極其龐大的工作量。許多材料仍然是經(jīng)驗性地被發(fā)現(xiàn)：研究人員一次制作和測試幾個樣本。在這個過程中，受到人類的偏見影響。研究人員經(jīng)常關(guān)注他們認(rèn)為有潛力的元素的一些組合。

材料基因工程是近年來以加速材料研究和材料探索為主要目標(biāo)的新理念，其中機器學(xué)習(xí)的經(jīng)過訓(xùn)練以找到數(shù)據(jù)集中的模式的算法，可在短時間內(nèi)篩選出具有預(yù)期特性的新材料，而高通量實驗是在海量樣品中直接優(yōu)選新材料、獲取實驗大數(shù)據(jù)的基本手段。在高通量實驗中，組合制備能夠?qū)崿F(xiàn)系列樣品的平行合成，結(jié)合結(jié)構(gòu)和性能的高通量表征，大大加速了新材料的發(fā)現(xiàn)。

“材料基因組計劃”的思想內(nèi)涵在于理性開展材料研發(fā)，突破傳統(tǒng)材料科學(xué)研究中依賴于科學(xué)直覺與簡單循環(huán)試錯為特征的“經(jīng)驗尋優(yōu)”方式，實現(xiàn)科學(xué)化的“系統(tǒng)尋優(yōu)”，革新材料科學(xué)的研究模式，促進(jìn)材料科學(xué)研究的創(chuàng)新。通過融合高通量計算、高通量實驗、材料數(shù)據(jù)庫三大關(guān)鍵技術(shù)，變革材料研發(fā)的理念和模式，從而提高先進(jìn)材料的研發(fā)效率，縮短其從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的周期，大幅降低研發(fā)成本,將材料從發(fā)現(xiàn)、制造到應(yīng)用的的周期和成本大幅縮短。

其中，以高通量實驗技術(shù)引領(lǐng)的新型實驗方式有望逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗流程，通過批量制備、表征及篩選等方式，快速獲得大量數(shù)據(jù)并建立數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而運用機器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)預(yù)測材料組分-微納結(jié)構(gòu)-制備方法-目標(biāo)性能之間的關(guān)系，縮小實驗范圍，最終獲得目標(biāo)結(jié)果。作為“材料基因組計劃”的重要組成部分，高通量實驗既能夠已經(jīng)成功運用在多種材料的研發(fā)中，可大幅度降低新材料從研發(fā)到實際應(yīng)用的周期，有望成為未來新材料創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的有力工具。

參考資料

新方向 使用機器學(xué)習(xí)來尋找能源材料!

高通量實驗革新材料研發(fā)，助力材料基因組計劃

進(jìn)展 | 用材料基因工程方法發(fā)現(xiàn)高溫非晶合金

新材料學(xué)院在機器學(xué)習(xí)加速發(fā)現(xiàn)新型材料方面取得進(jìn)展