2020年3月27日
当搜索可能用于特定应用的新材料的理论列表时，比如电池或其他与能源相关的设备，通常有数百万种可能的材料可以考虑，并且欧洲杯足球竞彩需要同时满足和优化多个标准。现在，麻省理工学院的研究人员找到了一种方法，利用机器学习系统大幅简化发现过程。
左上角描述的训练神经网络的迭代多步骤过程，导致了对两个竞争品质之间权衡的评估，如中心图所示。蓝线代表了所谓的帕累托前沿，定义了材料选择无法进一步改进的情况。欧洲杯足球竞彩这使得确定有前途的新材料的特定类别成为可能，比如右边的分子图所描述的那种。欧洲杯足球竞彩图片来源:麻省理工学院研究人员
作为演示，该团队从近300万种候选材料中选出了八种最有前途的材料，用于一种称为流体电池的能量存储系统。欧洲杯足球竞彩他们说，用传统的分析方法，这个挑选过程需要50年，但他们只用了5周就完成了。
研究结果发表在该杂志上ACS中央科学欧洲杯线上买球麻省理工学院化学工程教授Heather Kulik、19岁的Jon Paul Janet博士、Sahasrajit Ramesh和研究生Chenru Duan在一篇论文中写道。
这项研究着眼于一组被称为过渡金属配合物的材料。欧洲杯足球竞彩它们可以以大量不同的形式存在，库利克说“是真正令人着迷的功能性材料，不同于许多其他材料阶段。欧洲杯足球竞彩理解它们为什么会这样工作的唯一方法就是用量子力学来研究它们。”
要预测这数百万种材料中的任何一种的性质，要么需要耗费大量时间和资源的光谱学和其他实验室工作，要么需要耗费大量时间和资欧洲杯足球竞彩源，要么需要对每种可能的候选材料或材料组合进行高度复杂的基于物理的计算机建模。每一项这样的研究都可能需要花费数小时甚至数天的时间。
相反，库利克和她的团队选择了少量不同的可能材料，并用它们来教一个先进的机器学习神经网络了解材料的化学成分和物理性质之间的关系。欧洲杯足球竞彩这些知识随后被应用于为下一代可能用于神经网络下一轮训练的材料提出建议。欧洲杯足球竞彩经过这一过程的四次连续迭代，神经网络每次都有显著的改进，直到达到一个点，即很明显，进一步的迭代不会产生任何进一步的改进。
这个迭代优化系统极大地简化了获得满足正在寻求的两个冲突标准的潜在解决方案的过程。当一个因素的改善往往会使另一个因素恶化时，这种寻找最佳解决方案的过程被称为帕累托前沿(Pareto front)，它表示一个点的图表，其中一个因素的进一步改善会使另一个因素变得更糟。换句话说，图代表了可能的最佳妥协点，这取决于分配给每个因素的相对重要性。
训练典型的神经网络需要非常大的数据集，从数千个到数百万个示例，但Kulik和她的团队能够使用这个基于Pareto front模型的迭代过程，以简化过程，并仅使用几百个样本提供可靠的结果。
在筛选流体电池材料的情况下，理想的特性是相互冲突的，这是经常发生的情况:最优的材料应该具有高欧洲杯足球竞彩溶解性和高能量密度(在给定重量下存储能量的能力)。但增加溶解度会降低能量密度，反之亦然。
神经网络不仅能够快速地提出有希望的候选对象，它还能够通过每次迭代为其不同的预测分配可信度，这有助于在每个步骤中细化样本选择。库利克说:“我们开发了一种比业内最好的不确定性量化技术更好的技术，可以真正知道这些模型何时会失败。”
他们为概念验证试验选择的挑战是用于氧化还原流电池的材料，这是一种有望用于大型网格电池的电池，可以在实现清洁、可再生能源方欧洲杯足球竞彩面发挥重要作用。库利克说，过渡金属配合物是这类电池的首选材料，但用传统方法评估的可能性太多了。欧洲杯足球竞彩他们一开始列出了300万个这样的综合体，最终将其缩减为8个优秀的候选综合体，并提供了一套设计规则，使实验人员能够探索这些候选综合体及其变体的潜力。
“通过这个过程，神经网络在(设计)领域变得越来越聪明，但也越来越悲观，认为任何超出我们已经描述的东西都能进一步改善我们已经知道的东西。”她说。
她说，除了特定的过渡金属配合物建议进一步研究使用这个系统，该方法本身可以有更广泛的应用。“我们认为它是一个框架，可以应用于任何材料设计挑战，你真的试图同时解决多个目标。欧洲杯足球竞彩你知道，所有最有趣的材料设计挑战都是你想要改善的东西，但改善它会恶化另一个。欧洲杯足球竞彩对我们来说，氧化还原流电池氧化还原夫妇很好地展示了我们认为机器学习和加速材料发现的方向。”欧洲杯足球竞彩
库利克说，例如，为各种化学和工业过程优化催化剂是另一种此类复杂材料的研究。欧洲杯足球竞彩目前使用的催化剂通常含有稀有和昂贵的元素，因此从丰富而廉价的材料中找到类似的有效化合物可能是一个显著的优势。欧洲杯足球竞彩
“我相信，这篇论文代表了多维定向改进在化学科学中的首次应用，”欧洲杯线上买球她说。但这项工作的长期意义在于方法论本身，因为如果没有它，可能根本不可能实现。“你开始意识到，即使有了并行计算，在这些情况下，我们也无法用其他方式提出设计原则。这些从我们的工作中得到的线索，并不一定都是已经从文献中知道的想法，或者是专家能够给你指出的想法。”
这项工作得到了海军研究办公室、国防高级研究计划局(DARPA)、美国能源部、Burroughs Wellcome基金和AAAS Mar ion Milligan Mason奖的支持。
来源:http://news.mit.edu/