能源技術(shù)，醫(yī)療保健，半導(dǎo)體和食品生產(chǎn)方面的進步都有一個共同點：它們依靠開發(fā)具有特殊性質(zhì)的新材料(原子的新組合)來執(zhí)行所需的功能。在不太遙遠(yuǎn)的過去，知道材料具有什么特性的唯一方法是通過執(zhí)行實驗測量或使用非常昂貴的計算。

最近，科學(xué)家一直在使用機器學(xué)習(xí)算法來快速預(yù)測原子的某些排列所具有的特性。這種方法的挑戰(zhàn)在于，它需要大量高度準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)來訓(xùn)練模型，而這種數(shù)據(jù)通常不存在。

通過將大量的低保真數(shù)據(jù)與少量的高保真數(shù)據(jù)相結(jié)合，圣地亞哥加州大學(xué)材料虛擬實驗室的納米工程師開發(fā)了一種新的機器學(xué)習(xí)方法，可以比現(xiàn)有模型更準(zhǔn)確地預(yù)測材料的特性。至關(guān)重要的是，他們的方法也是第一個預(yù)測無序材料性質(zhì)的方法，這些無序材料的原子位點可能被多個元素占據(jù)或處于空位狀態(tài)。他們在1月14日的《自然計算科學(xué)》中詳細(xì)介紹了其多保真度圖網(wǎng)絡(luò)方法。

加州大學(xué)圣地亞哥分校的納米工程教授Shyue Ping Ong說：“在設(shè)計新材料時，您想知道的關(guān)鍵一件事是該材料是否可能穩(wěn)定，以及它具有什么樣的性能。” Diego Jacobs工程學(xué)院和該論文的通訊作者。“根本的問題是，即使我們擁有計算性能較差的大型數(shù)據(jù)庫，也很難獲得有價值的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)(例如實驗測量值)。在這里，我們試圖同時兼顧兩者之間的優(yōu)勢-保真度數(shù)據(jù)和較小的高保真度數(shù)據(jù)，以提高模型在高價值預(yù)測中的準(zhǔn)確性。”

盡管存在其他多保真度方法，但是這些方法無法很好地擴展或僅限于兩個數(shù)據(jù)保真度。它們不像這種新的多保真度圖形網(wǎng)絡(luò)方法那樣準(zhǔn)確或動態(tài)，該方法可以使用無限數(shù)量的數(shù)據(jù)保真度，并且可以非常迅速地擴展。

在本文中，納米工程師特別關(guān)注了材料的帶隙(一種用于確定電導(dǎo)率，材料的顏色，太陽能電池效率等的特性)作為概念驗證。與傳統(tǒng)的單保真度方法相比，他們的多保真度圖網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致實驗帶隙預(yù)測的平均絕對誤差降低了22-45%。研究人員還表明，他們的方法還可以準(zhǔn)確預(yù)測高保真分子能量。

Ong表示：“對于可以應(yīng)用的屬性沒有基本限制。” “問題在于我們擁有哪種類型的數(shù)據(jù)。”

Ong的團隊計劃在短期內(nèi)使用這種新方法來開發(fā)用于儲能，光伏電池和半導(dǎo)體器件的更好材料。

在預(yù)測有序材料的屬性時，該團隊做出了另一個意外發(fā)現(xiàn)-在他們使用的圖形深度學(xué)習(xí)模型中，原子屬性表示為學(xué)習(xí)的長度為16的嵌入向量。通過對這些學(xué)習(xí)的嵌入向量進行插值，研究人員發(fā)現(xiàn)它們還能夠為無序材料創(chuàng)建預(yù)測模型，這些材料的原子位點可能被一個以上的元素占據(jù)或有時會空著，這使得使用傳統(tǒng)方法難以研究它們。方法。

“雖然大部分計算和機器學(xué)習(xí)工作都集中在有序材料上，但無序化合物實際上構(gòu)成了大多數(shù)已知材料，” Ong實驗室的助理項目科學(xué)家，論文的第一作者Chi Chen說。“使用這種方法，多保真度圖形網(wǎng)絡(luò)模型可以以良好的精度重現(xiàn)無序材料的帶隙趨勢。”

這為更快，更準(zhǔn)確地設(shè)計新材料以滿足關(guān)鍵的社會需求打開了大門。

“我們在這項工作中展示的是，您實際上可以采用一種機器學(xué)習(xí)算法來預(yù)測無序材料的特性。換句話說，現(xiàn)在我們能夠在有序和無序材料的整個空間中進行材料發(fā)現(xiàn)和預(yù)測。只是訂購了材料，”王說。“據(jù)我們所知，這是第一個。”

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