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大數(shù)據(jù):材料基因組計(jì)劃,機(jī)器學(xué)習(xí)方法預(yù)測(cè)材料性能! 發(fā)布時(shí)間:2018-04-16   瀏覽量:1976次

近二十年來(lái),機(jī)器學(xué)習(xí)方法的發(fā)展為我們的生活帶來(lái)許多便利。智能網(wǎng)絡(luò)搜索、語(yǔ)音識(shí)別,乃至無(wú)人超市、無(wú)人駕駛汽車等,依托于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的新事物正迅速地在生活中普及。Alpha Go的橫空出世更讓世界驚嘆于人工智能的潛在價(jià)值。在科研領(lǐng)域,大數(shù)據(jù)的理念正在改變著科研人員對(duì)未知世界的探索方式。美國(guó)在2011年提出了材料基因組計(jì)劃(Materials Genome Initiative),以期加快材料的研發(fā)過(guò)程。我國(guó)懷柔科學(xué)城的發(fā)展規(guī)劃中,“材料基因組研究平臺(tái)”項(xiàng)目已全面開工建設(shè)。高通量實(shí)驗(yàn)+高性能計(jì)算+深度數(shù)據(jù)分析的研究方式已經(jīng)成為時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)。

  

在非晶合金研究領(lǐng)域,如何設(shè)計(jì)并開發(fā)出具有良好玻璃形成能力的合金,是一個(gè)具有重要產(chǎn)業(yè)價(jià)值的科學(xué)問(wèn)題。過(guò)去非晶合金材料新體系的探索主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)性判據(jù)的指導(dǎo),由于其準(zhǔn)確性與通用性的限制,非晶新材料的研發(fā)速度非常緩慢。如何提高材料設(shè)計(jì)的效率,尋找具有更優(yōu)性能的材料,是非晶材料領(lǐng)域非常具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

  

中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)汪衛(wèi)華研究組博士研究生孫奕韜在研究員汪衛(wèi)華、白海洋及中國(guó)人民大學(xué)物理系教授李茂枝的指導(dǎo)下,使用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,對(duì)二元合金的玻璃形成能力進(jìn)行了系統(tǒng)分析,建立了合金成分與性能之間的關(guān)聯(lián),并對(duì)可能的新材料進(jìn)行了預(yù)測(cè)。研究過(guò)程中使用了支持向量機(jī)(Support Vector Machine)這種方法(圖1),通過(guò)構(gòu)建多維空間,并在這個(gè)多維空間內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分割,從而建立輸入?yún)⒘颗c輸出參量之間的關(guān)聯(lián)。

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    圖1. 支持向量機(jī)方法的基本過(guò)程,包括四個(gè)主要部分:數(shù)據(jù)庫(kù)的建立,模型的訓(xùn)練,模型的評(píng)估,以及最優(yōu)模型的預(yù)測(cè)。


該研究方法可通過(guò)不斷選擇新的參數(shù)對(duì)模型進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練,探討了合金的不同性質(zhì)對(duì)其玻璃形成能力的影響(圖2)。研究發(fā)現(xiàn),參量Tliq(表征合金過(guò)冷能力的參量)與合金的玻璃形成能力有最為顯著的關(guān)聯(lián),而且使用參量Tliq與Tfic(表征合金熱穩(wěn)定性)作為輸入?yún)?shù),可以得到具有最佳預(yù)測(cè)效率的模型。


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圖2. 不同的輸入?yún)?shù)得到的模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。


通過(guò)對(duì)最佳模型的分析,發(fā)現(xiàn)已知的具有良好玻璃形成能力的二元合金,其分布與模型的預(yù)測(cè)值具有很好的一致性(圖3)。

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圖3. 最優(yōu)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。已發(fā)現(xiàn)的優(yōu)秀材料與模型預(yù)測(cè)(紅色區(qū)域)有很好的一致性。


使用這個(gè)模型,可以對(duì)未知的合金成分進(jìn)行預(yù)測(cè),這樣由深度數(shù)據(jù)分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn),可以極大地縮短非晶合金材料的研發(fā)周期(圖4)。


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圖4. 最優(yōu)模型預(yù)測(cè)得到最佳玻璃形成能力的合金體系的成分云圖。


該工作作為使用新的工具對(duì)經(jīng)典問(wèn)題進(jìn)行分析的一種嘗試,得到了初步成果。這表明,機(jī)器學(xué)習(xí)的方法在非晶材料設(shè)計(jì)與研發(fā)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。采用更全面、完善的數(shù)據(jù)庫(kù),運(yùn)用更深入的人工智能算法,機(jī)器學(xué)習(xí)方法能夠?yàn)榉蔷У阮I(lǐng)域科研人員提供更精準(zhǔn)的信息,進(jìn)一步加速材料的研發(fā)過(guò)程。

  

這項(xiàng)研究結(jié)果發(fā)表在J. Phys. Chem. Lett. 8, 3434(2017)上。該項(xiàng)研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51571209,51461165101)、科技部“973”項(xiàng)目(2015CB856800)和中科院前沿科學(xué)關(guān)鍵研究項(xiàng)目(QYZDY-SSW-JSC017)的支持。

隱石檢測(cè)擁有一批在業(yè)內(nèi)取得顯著成就的專業(yè)技術(shù)人員,在行業(yè)內(nèi)有著豐富的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)。秉承著專注、專業(yè)、高效、想客戶所想的理念,公司積極增加項(xiàng)目和完善更先進(jìn)的測(cè)試儀器設(shè)備,保障每一個(gè)檢測(cè),分析,研發(fā)任務(wù)優(yōu)質(zhì)高效的完成。同時(shí)通過(guò)專業(yè)所長(zhǎng),為全球數(shù)萬(wàn)家優(yōu)質(zhì)客戶提供最及時(shí)的行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)信息,和更高精尖的分析檢測(cè)解決方案。

  隱石檢測(cè)分別成立了閥門實(shí)驗(yàn)室,腐蝕實(shí)驗(yàn)室,金相實(shí)驗(yàn)室,力學(xué)實(shí)驗(yàn)室,無(wú)損實(shí)驗(yàn)室,耐候老化實(shí)驗(yàn)室。從事常壓儲(chǔ)罐檢測(cè),鍋爐能效檢測(cè),金屬腐蝕檢測(cè),SSC應(yīng)力腐蝕檢測(cè)HIC抗氫致開裂檢測(cè),閥門檢測(cè),應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)無(wú)損探傷檢測(cè),機(jī)械設(shè)備檢測(cè)金相分析,石墨烯納米材料檢測(cè),水質(zhì)檢測(cè)油品檢測(cè)涉及的服務(wù)范圍已廣泛覆蓋到鋼鐵材料,有色金屬材料,石油化工設(shè)備,通用機(jī)械設(shè)備,冶金礦石,建筑工程材料、航空航天材料,高鐵船舶材料,汽車用零部件、非金屬材料,電子電工產(chǎn)品等各個(gè)領(lǐng)域,并獲得了CMA和CNAS;雙重認(rèn)可。

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