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美國科學(xué)家人工智能加速了金屬玻璃的發(fā)現(xiàn) 每天分析2000多個(gè)合金樣本

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2018-04-16  瀏覽次數(shù)：3924
 將兩種或三種金屬混合在一起，您就會(huì)得到一種通?？雌饋硐窠饘僖粯拥暮辖?，其原子排列成剛性的幾何圖案。
 
       但偶爾，在恰當(dāng)?shù)臈l件下，你會(huì)得到一些全新的東西：一種稱為金屬玻璃的未來合金，它是無定形的，其原子排列成各個(gè)方向，就像窗戶玻璃原子一樣。它的玻璃狀性質(zhì)使其比現(xiàn)在最好的鋼材更堅(jiān)固更輕，而且更耐腐蝕和耐磨。
 
信息圖表比較機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尋找新的金屬合金
 
       盡管金屬玻璃作為保護(hù)涂層和鋼材的替代品顯示出很大的希望，但在過去的50年中，只有數(shù)百萬種可能的成分組合中的幾千種已被評(píng)估過，并且只有少數(shù)幾種可能發(fā)展到變得有用的程度。
 
       現(xiàn)在由能源部SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）和西北大學(xué)的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)小組報(bào)告了發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)金屬玻璃的捷徑。
 
       該研究小組利用SLAC斯坦福同步輻射光源（SSRL）的一個(gè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)將機(jī)器學(xué)習(xí)（一種人工智能形式，其中計(jì)算機(jī)算法從大量數(shù)據(jù)中搜集知識(shí)）與實(shí)驗(yàn)快速制作和篩選數(shù)百種樣品材料一次。這使得該團(tuán)隊(duì)能夠發(fā)現(xiàn)三種新的金屬玻璃成分混合物，并且比以前做得快200倍，他們的研究成果在Science Advances上報(bào)道。
 
       西北教授克里斯沃爾弗頓說：“通常需要十年或兩年的時(shí)間才能將材料從發(fā)現(xiàn)應(yīng)用到商業(yè)用途，”西沃教授克利斯沃爾弗頓是使用計(jì)算和人工智能預(yù)測(cè)新材料的早期先驅(qū)，也是該論文的合作者。“這是努力縮短這一時(shí)間的一大步，你可以從材料列表中選擇最適合你的材料列表，并利用人工智能將潛在材料的巨大領(lǐng)域迅速縮小為幾個(gè)優(yōu)秀的候選者”。
 
       他說，最終的目標(biāo)是讓科學(xué)家能夠掃描數(shù)百種樣品材料，從機(jī)器學(xué)習(xí)模型中獲得幾乎是直接的反饋，并準(zhǔn)備另一套樣品在第二天甚至一小時(shí)內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。
 
       在過去的半個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家們已經(jīng)研究了大約6,000種組成金屬玻璃的成分，SSRL的一位科學(xué)家加入合作，Apurva Mehta：“我們能夠在一年內(nèi)制作和篩選20,000個(gè)。”
 
剛剛開始

 

       雖然其他團(tuán)隊(duì)已經(jīng)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測(cè)哪里可以找到不同種類的金屬玻璃，Mehta說：“我們所做的獨(dú)特之處在于通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量快速驗(yàn)證我們的預(yù)測(cè)，然后將結(jié)果反復(fù)循環(huán)回到下一輪的機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)。”

 
       他補(bǔ)充道，還有很多空間可以讓這個(gè)過程更加快速，并且最終實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，讓人們完全脫離環(huán)路，因此科學(xué)家可以專注于需要人類直覺和創(chuàng)造力的其他工作方面。“這不僅會(huì)影響同步加速器用戶，還會(huì)影響整個(gè)材料科學(xué)和化學(xué)界。”Mehta說。
 
       該團(tuán)隊(duì)表示，這種方法可用于各種實(shí)驗(yàn)，特別是在尋找材料，如金屬玻璃和催化劑，其性能受制造方式的強(qiáng)烈影響時(shí)，以及那些科學(xué)家沒有理論指導(dǎo)他們的搜索的材料。通過機(jī)器學(xué)習(xí)，不需要以前的理解。這些算法可以自行建立關(guān)系并得出結(jié)論，這可以在意想不到的方向上進(jìn)行研究。
 
       “其中一個(gè)更令人興奮的方面是，我們可以如此迅速地做出預(yù)測(cè)，并且實(shí)驗(yàn)周而復(fù)始，以至于我們可以調(diào)查那些不遵循我們的正常經(jīng)驗(yàn)法則的材料，以確定材料是否會(huì)形成玻璃，“論文合作者NIST的材料研究工程師Jason Hattrick-Simpers說。“人工智能將改變材料科學(xué)如何完成的前景，這是第一步。”
 
 
方仁開發(fā)了一種算法，用于SLAC博士后研究人員在斯坦福同步輻射光源射束線上運(yùn)行該系統(tǒng)，該系統(tǒng)已投入使用。
 
數(shù)字的力量

 

       該論文是與美國能源部資助的試點(diǎn)項(xiàng)目相關(guān)的第一個(gè)科學(xué)成果，SLAC正在與硅谷人工智能公司Citrine Informatics合作，改變新材料的發(fā)現(xiàn)方式，并為各地的科學(xué)家提供工具。

 
       Citrine由斯坦福大學(xué)和西北大學(xué)的前研究生創(chuàng)立，創(chuàng)建了一個(gè)材料科學(xué)數(shù)據(jù)平臺(tái)，在這個(gè)平臺(tái)中以一致的格式存儲(chǔ)著已發(fā)表論文，電子表格和實(shí)驗(yàn)室筆記本中的數(shù)據(jù)，因此可以為材料專門使用。
 
       “我們希望獲取材料和化學(xué)數(shù)據(jù)，并有效利用它們來設(shè)計(jì)新材料和優(yōu)化制造，”該公司的創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Greg Mulholland說。“這是人工智能的力量：隨著科學(xué)家產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，它會(huì)一起學(xué)習(xí)，帶來隱藏的趨勢(shì)，讓科學(xué)家比依靠傳統(tǒng)的，純粹由人為驅(qū)動(dòng)的材料更快，更有效地識(shí)別高性能材料發(fā)展“。
 
       直到最近，思考，制作和評(píng)估新材料的速度都非常緩慢。例如，金屬玻璃的作者計(jì)算出，即使你每天都可以制作和檢查五種潛在類型的金屬玻璃，但要花上一千多年的時(shí)間來研究每一種可能的金屬玻璃組合金屬。當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)金屬玻璃時(shí)，研究人員努力克服阻礙這些材料本身具有的問題。因?yàn)橛行┏煞钟卸净虬嘿F成分，并且它們都具有玻璃易碎，易碎的性質(zhì)。
 
       在過去的十年中，SSRL和其他地方的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了使實(shí)驗(yàn)自動(dòng)化的方法，以便他們能夠在更短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)建和研究更多新穎的材料。今天，一些SSRL用戶可以在他們的數(shù)據(jù)幾乎一出現(xiàn)由SSRL與Citrine一起開發(fā)的AI軟件以及美國能源部勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的CAMERA項(xiàng)目中得到初步分析。
 
       “使用這些自動(dòng)化系統(tǒng)，我們每天可以分析超過2000個(gè)樣本，”本文的主要作者方仁說，他開發(fā)了算法來實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)并協(xié)調(diào)它們與系統(tǒng)的集成，同時(shí)還是SLAC的博士后學(xué)者。
 

試驗(yàn)數(shù)據(jù)

 

       在金屬玻璃研究中，研究團(tuán)隊(duì)研究了數(shù)千種含有三種廉價(jià)，無毒金屬的合金。

 
       他們從一系列可追溯至50多年的材料數(shù)據(jù)開始，其中包括6,000個(gè)搜索金屬玻璃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該團(tuán)隊(duì)使用Wolverton和西北大學(xué)研究生Logan Ward開發(fā)的先進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)算法梳理了數(shù)據(jù)。

 

       基于第一輪研究中學(xué)到的算法，科學(xué)家們使用兩種不同的方法制作了兩套樣品合金，使他們能夠測(cè)試制造方法是如何影響合金變形成玻璃的。
 
       通過SSRL X射線束掃描兩組合金，將數(shù)據(jù)輸入Citrine數(shù)據(jù)庫，并產(chǎn)生新的機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果，這些結(jié)果用于制備經(jīng)歷另一輪掃描和機(jī)器學(xué)習(xí)的新樣品。
 

       Mehta表示，通過實(shí)驗(yàn)的第三輪也是最后一輪，該團(tuán)體發(fā)現(xiàn)金屬玻璃的成功率從300或400個(gè)樣品中的一個(gè)增加到了兩個(gè)或三個(gè)樣品中的一個(gè)。他們確定的金屬玻璃樣品代表了三種成分的不同組合，其中兩種從未用于制造金屬玻璃。


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