人工智能助力新材料研發(fā) 創(chuàng)新成果將不斷涌現(xiàn)

人工智能的研發(fā)方興未艾。隨著其應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，其他學(xué)科也在與人工智能的結(jié)合中獲得意想不到的收獲，新材料便是其中之一。

目前，國(guó)外已有人工智能助力新材料研發(fā)的案例報(bào)道。英國(guó)利物浦大學(xué)的科研人員研發(fā)了一款機(jī)器人，在8天內(nèi)自主設(shè)計(jì)化學(xué)反應(yīng)路線，完成了688個(gè)實(shí)驗(yàn)，找到一種高效催化劑來(lái)提高聚合物光催化性能，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)若由人工完成將花費(fèi)數(shù)月時(shí)間。不久前，日本大阪大學(xué)一名教授利用1200種光伏電池材料作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)算法研究高分子材料結(jié)構(gòu)和光電感應(yīng)之間的關(guān)系，成功在1分鐘內(nèi)篩選出有潛在應(yīng)用價(jià)值的化合物結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)方法則需5—6年時(shí)間。

這樣的成功應(yīng)用蘊(yùn)藏了探索新材料和科技進(jìn)步的無(wú)限可能。縱觀人類歷史，每一次科技革命都與材料的發(fā)展息息相關(guān)。工業(yè)革命前，石器、青銅器、鐵器的發(fā)展將手工業(yè)逐漸從狩獵和農(nóng)牧業(yè)中分離出來(lái)。第一次工業(yè)革命后，鋼鐵和復(fù)合材料逐漸占據(jù)了人們的日常生活。第三次工業(yè)革命后，半導(dǎo)體、高晶硅、高分子材料迅速發(fā)展，成為需求量巨大的新材料。本世紀(jì)以來(lái)，隨著高端制造業(yè)的進(jìn)一步完善，新材料圍繞功能化、智能化、集成化發(fā)展路徑，與納米技術(shù)、生物技術(shù)、信息技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)深度融合，成為科技進(jìn)步的重要手段。

新材料的研制是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究相互融合促進(jìn)的過(guò)程，往往需要經(jīng)歷化學(xué)性質(zhì)改良和物理加工改進(jìn)，過(guò)程頗為不易。以近年來(lái)興起的智能纖維為例，這種新材料能隨外界環(huán)境刺激發(fā)生體積或形態(tài)變化，可用于構(gòu)筑可穿戴智能設(shè)備。對(duì)它研發(fā)時(shí)，首先要了解其刺激響應(yīng)機(jī)理，并建立一個(gè)合適的物理模型進(jìn)行解釋;其次要選擇合適的材料作為研究對(duì)象，運(yùn)用化學(xué)手段改進(jìn)其功能單元的功能與性質(zhì)，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)摸索其刺激響應(yīng)的條件，并完善結(jié)構(gòu)單元的性能;最后是生產(chǎn)加工，歷經(jīng)紡絲、染整、編織等不同的處理流程，不斷進(jìn)行工藝優(yōu)化與技術(shù)改進(jìn)。由此可見(jiàn)，新材料研發(fā)是一種典型的試錯(cuò)性研發(fā)，經(jīng)歷周期往往較長(zhǎng)。

為了縮短研發(fā)周期，人工智能可以作為一個(gè)強(qiáng)有力的輔助工具，借助數(shù)據(jù)共享，對(duì)先進(jìn)材料的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)、篩選，從而加快新材料的合成和生產(chǎn)。過(guò)去，材料的設(shè)計(jì)都是通過(guò)理論計(jì)算來(lái)構(gòu)建結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的關(guān)系。不過(guò)，由于原子有很多不同的結(jié)合方式，設(shè)計(jì)一個(gè)新的分子結(jié)構(gòu)就如同一個(gè)搭積木游戲，拼搭過(guò)程中無(wú)法預(yù)知分子的性質(zhì)。作為人工智能的一個(gè)分支，機(jī)器學(xué)習(xí)算法在輔助新材料設(shè)計(jì)時(shí)尤為“得力”，其工作過(guò)程主要包括“描述符”生成、模型構(gòu)建和驗(yàn)證、材料預(yù)測(cè)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證4個(gè)步驟。所謂“描述符”，就是根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)來(lái)描述材料的某些特殊性質(zhì)，再通過(guò)非線性的形式構(gòu)建訓(xùn)練模型，從而預(yù)測(cè)新材料性質(zhì)，這個(gè)過(guò)程不再依賴物理知識(shí)。

人工智能要想和新材料擦出更多的“火花”，仍面臨一些挑戰(zhàn)。比如，AI算法很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)晶體結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可靠性仍有待理論方法的發(fā)展等。為了更好發(fā)揮學(xué)科交叉融合的乘數(shù)效應(yīng)，除了需要算法不斷改進(jìn)外，理論計(jì)算化學(xué)的發(fā)展、材料性質(zhì)表征手段的研發(fā)也應(yīng)齊頭并進(jìn)。未來(lái)，相信通過(guò)各方科學(xué)家的努力，新材料的創(chuàng)新成果將會(huì)不斷涌現(xiàn)。

(作者為中國(guó)科學(xué)院院士、東華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長(zhǎng)、纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任)

標(biāo)簽： 人工智能 新材料研發(fā)