能源技術(shù)，醫(yī)療保健，半導(dǎo)體和食品生產(chǎn)方面的進(jìn)步都有一個(gè)共同點(diǎn)：它們依靠開(kāi)發(fā)具有特殊性質(zhì)的新材料(原子的新組合)來(lái)執(zhí)行所需的功能。在不太遙遠(yuǎn)的過(guò)去，知道材料具有什么特性的唯一方法是通過(guò)執(zhí)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量或使用非常昂貴的計(jì)算。

最近，科學(xué)家一直在使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)快速預(yù)測(cè)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(lái)訓(xùn)練模型，而這種數(shù)據(jù)通常不存在。

通過(guò)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(shí)驗(yàn)室的納米工程師開(kāi)發(fā)了一種新的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，可以比現(xiàn)有模型更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)材料的特性。至關(guān)重要的是，他們的方法也是第一個(gè)預(yù)測(cè)無(wú)序材料性質(zhì)的方法，這些無(wú)序材料的原子位點(diǎn)可能被多個(gè)元素占據(jù)或處于空位狀態(tài)。他們?cè)?月14日的《自然計(jì)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(shuō)：“在設(shè)計(jì)新材料時(shí)，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(wèn)題是，即使我們擁有計(jì)算性能較差的大型數(shù)據(jù)庫(kù)，也很難獲得有價(jià)值的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)(例如實(shí)驗(yàn)測(cè)量值)。在這里，我們?cè)噲D同時(shí)兼顧兩者之間的優(yōu)勢(shì)-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(jià)值預(yù)測(cè)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(wú)法很好地?cái)U(kuò)展或僅限于兩個(gè)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(dòng)態(tài)，該方法可以使用無(wú)限數(shù)量的數(shù)據(jù)保真度，并且可以非常迅速地?cái)U(kuò)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(yáng)能電池效率等的特性)作為概念驗(yàn)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(shí)驗(yàn)帶隙預(yù)測(cè)的平均絕對(duì)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(cè)高保真分子能量。

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

Ong的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在短期內(nèi)使用這種新方法來(lái)開(kāi)發(fā)用于儲(chǔ)能，光伏電池和半導(dǎo)體器件的更好材料。

在預(yù)測(cè)有序材料的屬性時(shí)，該團(tuán)隊(duì)做出了另一個(gè)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(zhǎng)度為16的嵌入向量。通過(guò)對(duì)這些學(xué)習(xí)的嵌入向量進(jìn)行插值，研究人員發(fā)現(xiàn)它們還能夠?yàn)闊o(wú)序材料創(chuàng)建預(yù)測(cè)模型，這些材料的原子位點(diǎn)可能被一個(gè)以上的元素占據(jù)或有時(shí)會(huì)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(jì)算和機(jī)器學(xué)習(xí)工作都集中在有序材料上，但無(wú)序化合物實(shí)際上構(gòu)成了大多數(shù)已知材料，” Ong實(shí)驗(yàn)室的助理項(xiàng)目科學(xué)家，論文的第一作者Chi Chen說(shuō)。“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(wú)序材料的帶隙趨勢(shì)。”

這為更快，更準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)新材料以滿足關(guān)鍵的社會(huì)需求打開(kāi)了大門。

“我們?cè)谶@項(xiàng)工作中展示的是，您實(shí)際上可以采用一種機(jī)器學(xué)習(xí)算法來(lái)預(yù)測(cè)無(wú)序材料的特性。換句話說(shuō)，現(xiàn)在我們能夠在有序和無(wú)序材料的整個(gè)空間中進(jìn)行材料發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)。只是訂購(gòu)了材料，”王說(shuō)。“據(jù)我們所知，這是第一個(gè)。”

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