美國研究者借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法，利用“廢棄”數(shù)據(jù)成功預(yù)測新材料的合成，引發(fā)學(xué)界激論：人工智能真能加速發(fā)現(xiàn)神奇新材料嗎？該研究所用的“計(jì)算材料學(xué)”結(jié)合計(jì)算機(jī)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)，是對傳統(tǒng)研究方法的革新。計(jì)算機(jī)科學(xué)和人工智能的影響已經(jīng)拓展到越來越多的領(lǐng)域，機(jī)器學(xué)習(xí)或?qū)⒏淖兾磥砜蒲蟹绞健?/p>

發(fā)現(xiàn)一種新的材料是非常艱難的過程，通常要經(jīng)歷無數(shù)次失敗，偶爾在機(jī)緣巧合之下取得成果，還要費(fèi)勁功夫反向檢測這種新材料的性質(zhì)。但有一批材料科學(xué)家轉(zhuǎn)換思路，使用計(jì)算機(jī)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法生成海量假想的材料，建立數(shù)據(jù)庫，從中篩選出值得合成的材料，再通過檢索這些材料可能擁有的性質(zhì)進(jìn)行具體應(yīng)用測試，比如將這種材料用作導(dǎo)體表現(xiàn)如何、用作絕緣體性能又如何、這種材料是否具有磁性、那種材料的抗壓力是多少。

2016年5月5日，Nature 將一篇機(jī)器學(xué)習(xí)算法改變材料發(fā)現(xiàn)方式的論文放上封面，并提出“從失敗中學(xué)習(xí)”：美國研究者利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用失敗或不成功的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測了新材料的合成，并且在實(shí)驗(yàn)中機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測的準(zhǔn)確率超過了經(jīng)驗(yàn)豐富的化學(xué)家，這意味著機(jī)器學(xué)習(xí)將改變傳統(tǒng)材料發(fā)現(xiàn)方式，發(fā)明新材料的可能性也大幅提高。

使用計(jì)算機(jī)模型和機(jī)器學(xué)習(xí)算法的好處在于，失敗的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也能用作下一輪的輸入，繼而不斷完善算法。倫敦帝國學(xué)院研究副院長、材料科學(xué)家 Neil Alford 以觀察者身份發(fā)表評論，這種做法代表了實(shí)驗(yàn)科學(xué)和理論科學(xué)的真正融合。

加州大學(xué)伯克利分校的材料科學(xué)家 Gerbrand Ceder 在接受 Nature 記者采訪時(shí)說，使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法有望大幅提高新材料發(fā)現(xiàn)的速度和效率。Ceder 是最早開始使用計(jì)算模型和機(jī)器學(xué)習(xí)生成假想材料的科學(xué)家之一，他以化合物磷酸鐵鋰為例：磷酸鐵鋰最初于 20 世紀(jì) 30 年代被合成，但當(dāng)時(shí)世人并不認(rèn)為這種材料會有多大用途，直到 1996 年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)磷酸鐵鋰大有取代現(xiàn)有鋰離子電池的可能。

哈佛大學(xué)的研究者采用計(jì)算材料科學(xué)思路，使用“失敗”數(shù)據(jù)，成功完成了這篇被選為本期 Nature 封面的論文。

有了機(jī)器學(xué)習(xí)，再也不怕失敗了

論文標(biāo)題：Machine-learning-assisted materials discovery using failed experiments

作者：Paul Raccuglia、Katherine C. Elbert、Philip D. F. Adler、Casey Falk、Malia B. Wenny、Aurelio Mollo、Matthias Zeller、Sorelle A. Friedler、Joshua Schrier、Alexander J. Norquist

來源：Nature 533, 73–76 (05 May 2016) doi:10.1038/nature17439

使用失敗實(shí)驗(yàn)在機(jī)器學(xué)習(xí)輔助下進(jìn)行材料發(fā)現(xiàn)（摘譯）

對諸如有機(jī)模板合成的金屬氧化物、金屬有機(jī)骨架（MOF）和有機(jī)鹵化鈣鈦礦等無機(jī)-有機(jī)雜化材料的研究已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年。水熱法和（非水）溶劑熱合成已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)千種新材料，這些新材料幾乎包含了元素周期表中的所有元素。然而，我們?nèi)晕闯浞掷斫膺@些化合物的形成過程，對新化合物的開發(fā)主要依靠試探性合成。在Materials Genome Initiative的推動下，計(jì)算機(jī)模擬和數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法成為對實(shí)驗(yàn)試錯方法的替代選擇。三個主要的策略是：基于模擬來預(yù)測材料的電荷遷移率、光生伏打性質(zhì)、氣體吸附能力和鋰離子嵌入等物理性質(zhì)，從而確定那些有前景的合成對象。通過整合高通量合成與測量工具，從大規(guī)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中確定材料的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系?；谥T如沸石結(jié)構(gòu)分類和氣體吸附性能等相似的晶體結(jié)構(gòu)，對材料進(jìn)行聚類。

在這里，我們展示了用反應(yīng)數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法，繼而預(yù)測模板合成的釩亞硒酸鹽結(jié)晶過程的反應(yīng)結(jié)果。我們使用未發(fā)表的“黑暗”反應(yīng)信息，這些反應(yīng)信息來自那些失敗或未成功的水熱合成實(shí)驗(yàn)。我們從實(shí)驗(yàn)室的筆記本檔案中收集了這些信息，并運(yùn)用化學(xué)信息學(xué)技術(shù)為筆記本中的原始數(shù)據(jù)添加了理化性質(zhì)描述。我們用由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測反應(yīng)能否成功。當(dāng)使用先前未經(jīng)測試的、市場有售的有機(jī)砌塊進(jìn)行水熱合成實(shí)驗(yàn)時(shí)，我們的機(jī)器學(xué)習(xí)模型獲得了比傳統(tǒng)人類策略更好的效果，并成功預(yù)測了有機(jī)模板合成的無機(jī)物的形成條件，成功率達(dá) 89%。對機(jī)器學(xué)習(xí)模型進(jìn)行反演后，可以揭示出關(guān)于成功產(chǎn)物形成條件的嶄新假設(shè)。

實(shí)驗(yàn)中機(jī)器學(xué)習(xí)模型反饋機(jī)制示意圖

圖1｜“黑暗”反應(yīng)的反饋機(jī)制示意圖。使用從歷史反應(yīng)數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的機(jī)器學(xué)習(xí)模型推薦可供執(zhí)行的新反應(yīng)，并產(chǎn)生關(guān)于結(jié)晶過程的假設(shè)，這些假設(shè)可以被人類解讀。另，SVM 是支持向量機(jī)的縮寫。來源：Nature 533, 73–76

機(jī)器學(xué)習(xí)模型超越傳統(tǒng)人類策略

圖2｜關(guān)于模板合成的釩亞硒酸鹽晶體形成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，以胺相似度為橫軸。深色條表示機(jī)器學(xué)習(xí)模型的預(yù)測，淺色條表示傳統(tǒng)的人類策略。產(chǎn)生了多晶和大單晶產(chǎn)物的反應(yīng)分別顯示為藍(lán)色和綠色?？v軸顯示了反應(yīng)出現(xiàn)所指示的結(jié)果的概率。機(jī)器學(xué)習(xí)模型比人類策略更成功地預(yù)測了晶體形成的條件，無論用模板合成的胺數(shù)據(jù)庫中已知實(shí)例時(shí)所具有的系統(tǒng)相似性如何。來源：Nature 533, 73–76