發(fā)現(xiàn)220萬(wàn)種新材料！谷歌DeepMind最新研究成果再引轟動(dòng)：人工智能模型GNoME利用機(jī)器學(xué)習(xí)顛覆材料學(xué)

每經(jīng)記者 蔡鼎    每經(jīng)編輯 蘭素英    

從新能源汽車(chē)電池到太陽(yáng)能電池，再到計(jì)算機(jī)芯片等諸多領(lǐng)域，一旦有新材料發(fā)現(xiàn)，無(wú)疑可加速技術(shù)層面的突破。不過(guò)，新材料的研發(fā)通常需要科學(xué)家們花費(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)和驗(yàn)證。然而，谷歌旗下DeepMind近日公布的一項(xiàng)研究或?qū)O大加快新材料在眾多科技領(lǐng)域的應(yīng)用速度。

谷歌DeepMind的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)人工智能工具“材料探索圖形網(wǎng)絡(luò)（以下簡(jiǎn)稱GNoME）”發(fā)現(xiàn)了多達(dá)220萬(wàn)種理論上穩(wěn)定，但絕大部分在實(shí)驗(yàn)上尚未實(shí)現(xiàn)的晶體結(jié)構(gòu)，這一成果于11月29日在頂刊《自然（Nature）》雜志上發(fā)表。

GNoME發(fā)現(xiàn)的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)量是科學(xué)史上發(fā)現(xiàn)的此類物質(zhì)數(shù)量的45倍以上，業(yè)內(nèi)認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)為可再生能源和先進(jìn)計(jì)算芯片等領(lǐng)域的發(fā)展提供新路徑。

GNoME穩(wěn)定性預(yù)測(cè)精度在迭代學(xué)習(xí)中迅速提高

據(jù)悉，這項(xiàng)被稱為GNoME的人工智能模型旨在預(yù)測(cè)無(wú)機(jī)晶體結(jié)構(gòu)，即原子的重復(fù)排列，使某種材料具有特殊的性質(zhì)。迄今為止，人類已知的大約只有48000種無(wú)機(jī)晶體。

此次GNoME模型將這個(gè)數(shù)字?jǐn)U展到多達(dá)220萬(wàn)種。Deepmind稱，在這220萬(wàn)種新晶體結(jié)構(gòu)中，其中有38萬(wàn)個(gè)穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)有望通過(guò)實(shí)驗(yàn)合成，有實(shí)際的應(yīng)用前景，可能發(fā)展出“未來(lái)的變革性技術(shù)”，例如超導(dǎo)材料和下一代電池材料等。GNoME“在人類已知的穩(wěn)定材料中實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)了大約800年來(lái)具有革命性潛力的新材料。”

為了發(fā)現(xiàn)更多新材料，DeepMind團(tuán)隊(duì)結(jié)合了兩種不同的深度學(xué)習(xí)模型。第一種是通過(guò)對(duì)現(xiàn)有材料中的元素進(jìn)行修改，產(chǎn)生了超過(guò)10億個(gè)結(jié)構(gòu)。第二種方法則拋開(kāi)現(xiàn)有的材料結(jié)構(gòu)，完全根據(jù)化學(xué)式來(lái)預(yù)測(cè)新材料的穩(wěn)定性。這兩種深度學(xué)習(xí)模型的結(jié)合，為新材料的發(fā)現(xiàn)提供了更廣泛的可能性。

DeepMind發(fā)表在《自然》上的論文

候選的新材料結(jié)構(gòu)生成后，研究人員通過(guò)GNoME模型進(jìn)行篩選。該模型可以預(yù)測(cè)特定結(jié)構(gòu)的分解能量（decomposition energy），這是衡量材料穩(wěn)定程度的重要指標(biāo)。只有“穩(wěn)定”、不易分解的材料，才能對(duì)工業(yè)用途產(chǎn)生重要意義。因此，GNoME會(huì)預(yù)測(cè)并選擇最具有應(yīng)用前景的材料，并根據(jù)已知的理論框架對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步評(píng)估。

據(jù)悉，上述過(guò)程會(huì)被DeepMind團(tuán)隊(duì)重復(fù)多次，且每一次的發(fā)現(xiàn)都會(huì)被納入下一次的訓(xùn)練中。雖然第一輪的測(cè)試中，GNoME預(yù)測(cè)不同材料穩(wěn)定性的精度僅為5%左右，但在整個(gè)迭代學(xué)習(xí)的過(guò)程中，GNoME的預(yù)測(cè)精度迅速提高。最終的結(jié)果表明，GNoME在第一個(gè)模型中預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的精度已經(jīng)超過(guò)80%，在第二個(gè)模型中精度則提高到了33%。

雖然新結(jié)構(gòu)中的一些可能會(huì)衰變?yōu)楦€(wěn)定的形式，或者不可能完全創(chuàng)建，但DeepMind團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功創(chuàng)造出了736種GNoME所發(fā)現(xiàn)的新材料，包括堿土金剛石樣光學(xué)材料（Li4MgGe2S7）和潛在的超導(dǎo)體（Mo5GeB2），目前正在進(jìn)行測(cè)試。

GNoME預(yù)測(cè)的各種新材料的晶體結(jié)構(gòu) 圖片來(lái)源：DeepMind

DeepMind的上述論文共同作者之一、材料研發(fā)主管Dogus Cubuk稱，“對(duì)我來(lái)說(shuō)，材料科學(xué)基本上是抽象思維與物理宇宙的交匯點(diǎn)，很難想象有哪項(xiàng)技術(shù)不會(huì)因更好的材料而得到改進(jìn)。”

麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程教授Ju Li認(rèn)為，GNoME可以被視為材料發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域的“阿爾法Fold”。“阿爾法Fold”是DeepMind于2020年推出的人工智能系統(tǒng)，能夠高精度地預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，并在生物研究和藥物發(fā)現(xiàn)方面取得了重大進(jìn)展。Ju Li稱，得益于GNoME的強(qiáng)大能力，人類已知穩(wěn)定材料的數(shù)量增長(zhǎng)了近10倍，達(dá)到42.1萬(wàn)種。

GNoME已發(fā)現(xiàn)500多種有應(yīng)用前景的鋰離子導(dǎo)體

《每日經(jīng)濟(jì)新聞》記者注意到，其實(shí)利用人工智能模型制造新材料并非DeepMind首創(chuàng)——由美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Kristin Persson領(lǐng)導(dǎo)的“材料項(xiàng)目（Materials Project）”已經(jīng)使用類似的技術(shù)發(fā)現(xiàn)并提高了48000種材料的穩(wěn)定性。該實(shí)驗(yàn)從材料數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取數(shù)據(jù)，其中包括了GNoME的一些發(fā)現(xiàn)，并使用機(jī)器學(xué)習(xí)和機(jī)械臂，在沒(méi)有人類干預(yù)的情況下設(shè)計(jì)新材料。

圖片來(lái)源：伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

然而，GNoME發(fā)現(xiàn)的新材料在規(guī)模和精度上都使其有別于勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的工作。

明尼蘇達(dá)大學(xué)化學(xué)工程與材料科學(xué)助理教授Chris Bartel認(rèn)為，與之前的任何模型相比，GNoME的訓(xùn)練數(shù)據(jù)至少多了一個(gè)數(shù)量級(jí)。馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)與工程系副教授Yifei Mo也指出，以前進(jìn)行類似的研究不僅成本高昂，而且規(guī)模有限，GNoME可以讓這些新材料的發(fā)現(xiàn)以更高的精度和更低的計(jì)算成本進(jìn)行擴(kuò)展，“影響可能是巨大的。”

更重要的是，DeepMind團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室展開(kāi)合作，并創(chuàng)建了一個(gè)能夠自主合成這些新晶體的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，名為A-Lab。新材料被發(fā)現(xiàn)后，將這些材料合成并驗(yàn)證它們的用途也同樣重要。A-Lab也一直在將GNoME的一些發(fā)現(xiàn)與其“材料項(xiàng)目”成果結(jié)合，即將機(jī)器人技術(shù)與機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，以優(yōu)化這些材料的后續(xù)開(kāi)發(fā)。

DeepMind和伯克利實(shí)驗(yàn)室的研究人員表示，這些新人工智能工具可以幫助加速能源、計(jì)算機(jī)和許多其他領(lǐng)域的硬件創(chuàng)新。例如，鋰離子電池導(dǎo)體就是GNoME人工智能模型發(fā)現(xiàn)的新材料中最有應(yīng)用前景的案例之一。DeepMind稱，GNoME已發(fā)現(xiàn)了528 種有應(yīng)用前景的鋰離子導(dǎo)體，其中一些可能有助于提高電動(dòng)車(chē)電池的效率。

然而，即使在新材料被發(fā)現(xiàn)之后，通常也需要幾十年的時(shí)間才能將其推向商業(yè)應(yīng)用階段。Dogus Cubuk在新聞發(fā)布會(huì)上稱，“如果我們能把這個(gè)從發(fā)現(xiàn)到應(yīng)用的過(guò)程縮短到5年，那將是一個(gè)很大的進(jìn)步。”

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