將機(jī)器學(xué)習(xí)與基于物理的方法相結(jié)合，可以將產(chǎn)品的上市時(shí)間縮短多個(gè)數(shù)量級(jí)，這為生物材料、耐火復(fù)合材料、太空應(yīng)用和儲(chǔ)氫罐等領(lǐng)域的創(chuàng)新開(kāi)辟了新的可能。

采用Schr?dinger 的材料信息學(xué)（MI）工具，可以加速開(kāi)發(fā)汽車、航空航天、電子等領(lǐng)域所需的高性能復(fù)合材料使用的新型材料和配方（圖片來(lái)源：Schr?dinger）

材料信息學(xué)（MI）是材料行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)，它利用數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）和AI解決方案來(lái)開(kāi)發(fā)新的材料并優(yōu)化其加工方式。根據(jù)IDTechEx 的說(shuō)法，材料信息學(xué)是一種范式轉(zhuǎn)變，能顯著縮短上市時(shí)間，而更進(jìn)一步的是，它不僅能夠加快創(chuàng)新步伐，針對(duì)建議的候選材料實(shí)現(xiàn)所需的性能，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)逆向開(kāi)發(fā)，即根據(jù)輸入的所需性能來(lái)推薦新的材料。

2021年，東麗工業(yè)公司（日本東京）公布了一個(gè)“如何將MI應(yīng)用于復(fù)合材料”的案例——該公司利用MI開(kāi)發(fā)了一種新的高性能碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）預(yù)浸料，該預(yù)浸料具有卓越的阻燃（FR）性能，適用于先進(jìn)的航空航天應(yīng)用。

按成熟度劃分的材料信息學(xué)（MI）的目標(biāo)應(yīng)用（圖片來(lái)源：IDTechEx 的“材料信息學(xué) 2022-2032”）

“這是一種完全不同的方法。”Schr?dinger（美國(guó)紐約州紐約市）的材料科學(xué)信息學(xué)產(chǎn)品經(jīng)理 Anand Chandrasekaran表示。該公司與客戶合作，采用其預(yù)測(cè)計(jì)算工具開(kāi)發(fā)包括復(fù)合材料在內(nèi)的未來(lái)材料。“我們不僅在材料性能預(yù)測(cè)方面要比傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法快了多個(gè)數(shù)量級(jí)，還實(shí)現(xiàn)了不同類型的構(gòu)思。現(xiàn)在，你可以從10000或100000 種可能的結(jié)構(gòu)著手，或者查看可以購(gòu)買的所有可能的分子，將這些不同的集合放入一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后使用ML就能更有效地評(píng)估和篩選實(shí)際用于合成和測(cè)試的材料。”

Chandrasekaran補(bǔ)充說(shuō)，Schr?dinger的平臺(tái)還將ML和基于物理的方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集的數(shù)字化生成和驗(yàn)證，這開(kāi)辟了一個(gè)充滿各種可能性的新視野。用于訓(xùn)練ML模型的現(xiàn)有數(shù)據(jù)集可能很薄，包括生物材料、耐火和高溫復(fù)合材料、太空應(yīng)用的新材料、低溫儲(chǔ)氫等。

1實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的高性能復(fù)合材料

在深入探討MI工作原理的細(xì)節(jié)之前，有必要了解它的使用方式及其原因。Schr?dinger 的網(wǎng)站給出的解釋是：各行各業(yè)的研發(fā)科學(xué)家們?cè)陂_(kāi)發(fā)高性能、多功能以及滿足社會(huì)對(duì)可持續(xù)性要求的下一代聚合物和復(fù)合材料方面面臨著挑戰(zhàn)。該公司的數(shù)字平臺(tái)在分子和原子尺度上對(duì)生物基聚合物和添加劑進(jìn)行模擬，使科學(xué)家們能夠理解和預(yù)測(cè)性能。它還可以自動(dòng)篩選生物基聚合物，預(yù)測(cè)聚合物混合物的結(jié)構(gòu)、混溶性（混合和形成均勻溶液的能力）和性能。它還可以模擬吸水率并預(yù)測(cè)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）、固化過(guò)程中的熱穩(wěn)定性、熱膨脹和聚合物的凝膠點(diǎn)，為高性能應(yīng)用開(kāi)發(fā)新的樹(shù)脂配方。

“現(xiàn)在提出了許多生命周期問(wèn)題。”Schr?dinger的聚合物總監(jiān) Andrea Browning 說(shuō)道。她與 Chandrasekaran及其同事在基于物理的工具方面展開(kāi)合作，為聚合物和復(fù)合材料客戶提供一系列功能。“這些客戶正在關(guān)注的輸入單體與過(guò)去所考慮的不同。我們能夠利用他們過(guò)去的數(shù)據(jù)來(lái)了解與新的單體可能的聯(lián)系，包括來(lái)自他們以前沒(méi)有考慮過(guò)的不同來(lái)源。MI使你能夠利用的，將超出傳統(tǒng)試驗(yàn)性配方研究所能做到的，因此，您可以將其用作發(fā)現(xiàn)工具。”

“為阻燃性、塑化或其他目標(biāo)而改進(jìn)添加劑，是MI為改進(jìn)而提供新的可能性的另一個(gè)方面。”Browning 說(shuō)道，“這可能包括尋找更適合材料整個(gè)生命周期的新的添加劑。在探索可能使用的其他材料時(shí)，可以再次利用你可能擁有的數(shù)據(jù)集，然后將這些新材料的特性與化學(xué)品聯(lián)系起來(lái)。這為您提供了更多的方法來(lái)研究如何組合和使用新的化學(xué)品來(lái)實(shí)現(xiàn)性能和可持續(xù)性目標(biāo)。”

2探索下一代的太空材料

在如何將MI用于復(fù)合材料方面的一個(gè)例子是，位于美國(guó)愛(ài)德華茲空軍基地的美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）航空航天系統(tǒng)局的研究化學(xué)家 Levi Moore 博士及其團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一篇文章，該文章介紹了如何使用Schr?dinger平臺(tái)來(lái)理解和探索用于聚氰脲酸酯樹(shù)脂的新配方。這些熱固性聚合物由氰酸酯單體組成，具有卓越的阻燃性能，這對(duì)于航空航天中的高溫（HT）應(yīng)用非常重要。多方面的消息表明，Tg大約為300℃，炭化率（char yields）>70%，后者對(duì)陶瓷基復(fù)合材料（CMC） 很有吸引力，或者，它們可能包含硅（Si），可以獲得額外的HT和炭化率（char yield）優(yōu)勢(shì)。

Moore 的團(tuán)隊(duì)想探索聚氰尿酸酯的反應(yīng)化學(xué)，但這很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楣袒?交聯(lián)通常很復(fù)雜，需要同時(shí)考慮多個(gè)因素。具體來(lái)說(shuō)，Moore 希望更好地了解水分吸收情況。盡管這對(duì)于聚氰脲酸鹽來(lái)說(shuō)是低的，但如果水溫迅速升高，可能會(huì)導(dǎo)致失效。

他的團(tuán)隊(duì)使用Schr?dinger的計(jì)算平臺(tái)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。正如Moore在之前的一篇文章中解釋的那樣：“我們已經(jīng)能夠觀察到水?dāng)U散到交聯(lián)聚合物基質(zhì)中，并看到水分子最容易被特定化學(xué)基團(tuán)吸引的地方。而要作這樣的試驗(yàn)，需要使用只有國(guó)家實(shí)驗(yàn)室才能提供的極其復(fù)雜的裝置，即便如此，也只能在宏觀尺度上看到水，而不能模擬提供精細(xì)的原子細(xì)節(jié)。”他補(bǔ)充說(shuō)，“這種數(shù)字模擬減少了我們需要合成的新分子的數(shù)量，從而可以實(shí)現(xiàn)更高效、更低資源消耗的迭代周期。”

聚氰脲酸鹽只是Moore及其同事應(yīng)用Schr?dinger的MI工具的幾個(gè)領(lǐng)域之一。AFRL的研究人員還在探索增材制造和3D打印的潛力，以將現(xiàn)有材料重新配置為新的、更復(fù)雜的形狀，這可能會(huì)增強(qiáng)它們對(duì)惡劣環(huán)境的耐受性。通過(guò)出版物、網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)和訪談，AFRL提供了一個(gè)“航空航天公司如何將MI加入其研究周期中”的示例。

Moore在之前的采訪中強(qiáng)調(diào)了未來(lái)材料建模的一個(gè)方向：“最大的挑戰(zhàn)將是系統(tǒng)的最終目標(biāo)，你可以輸入所需的材料屬性，系統(tǒng)將能夠在該空間中找到解決方案。如果該解決方案不存在，那么它可以迭代新的、尚未被發(fā)現(xiàn)的材料，并輸出具有所需性能的目標(biāo)來(lái)合成分子。”

3MI的工作原理

Chandrasekaran表示，一種方法是：結(jié)合使用ML與現(xiàn)有數(shù)據(jù)集，以預(yù)測(cè)潛在的新材料或找到改善現(xiàn)有材料特性的潛在機(jī)制。這些ML技術(shù)相當(dāng)新，大約在過(guò)去的8年中被開(kāi)發(fā)出來(lái)。“在 Schr?dinger，我們正在開(kāi)發(fā)ML技術(shù)，這些技術(shù)采用特定材料（比如，可以是聚合物、聚合物加添加劑、分子或分子與溶劑的混合物）并將該復(fù)雜的材料分解成其各個(gè)組分和結(jié)構(gòu)。然后，我們有特殊的表征技術(shù)，該技術(shù)能以一種可以被計(jì)算機(jī)算法理解的方式來(lái)表征每個(gè)結(jié)構(gòu)。一旦該材料被算法理解，我們就可以找到結(jié)構(gòu)與材料成分及感興趣的屬性之間的相關(guān)性。我們可以預(yù)測(cè)性能并了解屬性如何變化。”

材料信息學(xué)的支柱（圖片來(lái)源：Schr?dinger）

“但是，當(dāng)你擁有非常小的數(shù)據(jù)集時(shí)，這些ML預(yù)測(cè)可能會(huì)很糟糕。”Chandrasekaran說(shuō)道，“這是因?yàn)椋琈L是基于查看過(guò)去數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性來(lái)作出未來(lái)的預(yù)測(cè)。但是，一旦我們將 ML 與基于物理的方法相結(jié)合，那么我們就可以在第一性原理層面上獲得真正強(qiáng)大的材料描述符——這意味著你不必對(duì)過(guò)去的數(shù)據(jù)或統(tǒng)計(jì)模型做出任何假設(shè)。相反，從量子力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)出發(fā)，我們可以生成材料的特性。即使你無(wú)法生成所需復(fù)合材料的完全相同的屬性，也有許多屬性是非常好的描述符，或者與復(fù)合材料制造商可能感興趣的最終屬性具有非常強(qiáng)的相關(guān)性。”

“因此，通過(guò)將ML和這些基于物理的方法結(jié)合使用，我們可以生成自己的數(shù)據(jù)集，并查看哪些屬性與實(shí)際的試驗(yàn)值相關(guān)。”他解釋道，“然后，我們擁有一種強(qiáng)大的方法，它將第一性原理方法與統(tǒng)計(jì)方法相結(jié)合，使研究人員能夠設(shè)計(jì)出全新的材料、新的添加劑和新的復(fù)合材料。”

4SABIC加快聚合物開(kāi)發(fā)速度

這種將ML與基于物理的方法結(jié)合使用的一個(gè)例子是Schr?dinger 最近與 SABIC的合作。“我們?cè)谒麄儍?nèi)部的Tg、CTE（熱膨脹系數(shù)）和介電性能等數(shù)據(jù)集上使用了ML，以產(chǎn)生新的單體和共聚物。”Chandrasekaran 說(shuō)道，“我們對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的新的潛在重復(fù)單元和多態(tài)單元進(jìn)行了預(yù)測(cè)，然后根據(jù)ML的排名，獲得了表現(xiàn)最佳的單元。接著，我們通過(guò)基于物理的模擬對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，最終，該公司合成了最有前景的聚合物。”

DeepAutoQSAR 是一種基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他AI方法的Schr?dinger MI工具，非常適合包含500多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)據(jù)集，有助于在物理測(cè)試之前篩選出可能的新配方（圖片來(lái)源：Schr?dinger）

Chandrasekaran和Browning表示，設(shè)計(jì)新聚合物的傳統(tǒng)方法在很大程度上依賴于緩慢而昂貴的試錯(cuò)試驗(yàn)。除這種復(fù)雜性外，當(dāng)研究人員改進(jìn)聚合物的某個(gè)方面時(shí)，通常會(huì)削弱其他方面。因此，設(shè)計(jì)新的聚合物就像解決一個(gè)復(fù)雜的難題，需要同時(shí)優(yōu)化多種特性。相反，SABIC Specialties 的樹(shù)脂設(shè)計(jì)和孵化團(tuán)隊(duì)（為各種復(fù)合材料應(yīng)用提供聚合物、配混物和先進(jìn)材料）與Schr?dinger的材料科學(xué)團(tuán)隊(duì)合作，構(gòu)建了準(zhǔn)確的 ML 模型來(lái)加快開(kāi)發(fā)速度。

SABIC策劃了一個(gè)包含5個(gè)目標(biāo)屬性的物理數(shù)據(jù)集，這5個(gè)目標(biāo)屬性與聚合物如何響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力、溫度、電氣和光學(xué)條件相關(guān)。然后，該團(tuán)隊(duì)成功地訓(xùn)練并驗(yàn)證了僅使用分子結(jié)構(gòu)作為輸入即可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)這5個(gè)聚合物屬性的ML模型。接著，Schr?dinger和SABIC使用這些ML模型來(lái)探索新的聚合物結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)尚未經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，但卻表現(xiàn)出了對(duì)實(shí)際應(yīng)用有用的聚合物特性。

Schr?dinger的集成MI平臺(tái) LiveDesign，在單個(gè)基于瀏覽器的協(xié)作平臺(tái)中利用ML來(lái)提供對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算建模和數(shù)據(jù)分析的訪問(wèn)，以幫助公司開(kāi)發(fā)新的材料和想法（圖片來(lái)源：Schr?dinger）

該團(tuán)隊(duì)生成了10000多種結(jié)構(gòu)，部署了經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的ML模型來(lái)預(yù)測(cè)聚合物特性，并應(yīng)用多參數(shù)優(yōu)化（MPO）排名標(biāo)準(zhǔn)來(lái)識(shí)別具有首選特性的聚合物結(jié)構(gòu)。使用 Schr?dinger 的 LiveDesign MI 平臺(tái)，該團(tuán)隊(duì)將設(shè)計(jì)空間縮小到1000種結(jié)構(gòu)，然后精確定位，篩選具有良好性能的可市售的結(jié)構(gòu)，將其范圍縮減到10個(gè)。

為進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)這10種候選結(jié)構(gòu)的信心，SABIC和Schr?dinger使用基于物理的方法對(duì)它們進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果與ML模型預(yù)測(cè)的結(jié)果相一致。然后，SABIC對(duì) 10種候選結(jié)構(gòu)中最具商業(yè)可行性的3種進(jìn)行了合成和物理測(cè)試，它們都滿足了移動(dòng)、基礎(chǔ)設(shè)施、5G、醫(yī)療設(shè)備、涂料等目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系乃谐跏紭?biāo)準(zhǔn)要求。

SABIC表示，這種方法可以將聚合物的創(chuàng)新時(shí)間從幾年縮短到幾個(gè)月。更進(jìn)一步，這種AI驅(qū)動(dòng)的工作流程還激發(fā)了科學(xué)家利用計(jì)算工具來(lái)測(cè)試僅通過(guò)試錯(cuò)試驗(yàn)不可測(cè)試的更多新的結(jié)構(gòu)。

5一種變革性方法

“當(dāng)我們將10000種聚合物結(jié)構(gòu)縮減到前10種聚合物用于基于物理的仿真時(shí)，對(duì)每一種聚合物結(jié)構(gòu)的仿真可能需要一天左右的時(shí)間。”Chandrasekaran 說(shuō)道，“但是，要通過(guò)試驗(yàn)或直接合成和測(cè)試的方法來(lái)獲得聚合物，至少需要一個(gè)月或更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，這比單純的試驗(yàn)快了好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，這確實(shí)是變革性的。”

“但如果只能進(jìn)行試驗(yàn)，甚至無(wú)法做到這一點(diǎn)。”Browning補(bǔ)充道，“你會(huì)把那個(gè)領(lǐng)域的專家召集到一起，他們會(huì)決定嘗試5種、20種或30種——只要你有預(yù)算和時(shí)間。”

“這樣做需要花費(fèi)時(shí)間。”她繼續(xù)說(shuō)道，“一旦你縮小了范圍，就需要時(shí)間來(lái)尋找成分，合成聚合物。如果你正在做一些真正新的事情，可能會(huì)有多次迭代，才能確保你能制造出想要的聚合物。相反，我們以數(shù)字方式進(jìn)行所有操作，可以獲得成功概率更高的子集，您可以對(duì)最有信心的子集進(jìn)行試驗(yàn)和驗(yàn)證，這個(gè)周期要短得多。”

Chandrasekaran表示，這還為以前不可能實(shí)現(xiàn)的新創(chuàng)新帶來(lái)了可能。“假設(shè)你有一項(xiàng)非常具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，比如，因環(huán)境法規(guī)要求，需要將一種成分替換為另一種能夠提供相同或更好屬性但在毒性或可持續(xù)性方面不再有問(wèn)題的成分，使用這種MI方法，就可以生成一個(gè)巨大的可行的化合物庫(kù)，而且可以買到并能獲得批準(zhǔn)。然后，您可以運(yùn)行ML并預(yù)測(cè)哪些成分和添加劑最有可能幫助實(shí)現(xiàn)所需的相同或更好的屬性。”

“因此，您可以考慮可測(cè)試的所有可能的分子以及可以使用的聚合物，您可以輕松列出100000種化合物，然后在幾分鐘內(nèi)使用ML進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，這是一種完全不同的方法，可以使你以不同的方式開(kāi)始構(gòu)思。你可以繪制單體并查看可供購(gòu)買的分子的所有現(xiàn)有來(lái)源，然后將所有這些放入數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用ML更有效地掃描該數(shù)據(jù)庫(kù)以查找感興趣的添加劑或分子。”Chandrasekaran 說(shuō)道。

6儲(chǔ)氫罐及其他可能的應(yīng)用

采用MI，可以為太空飛行器和零排放飛機(jī)應(yīng)用的低溫液氫罐加快開(kāi)發(fā)所需的新型復(fù)合材料（圖片來(lái)源：Infinite Composites，柯林斯航空航天公司的 COCOLIH2T 項(xiàng)目）

MI可能產(chǎn)生重大影響的另一個(gè)領(lǐng)域是當(dāng)前對(duì)一些聚合物的研究，這些聚合物能夠抵抗低溫并防止液氫（LH2）滲透到復(fù)合材料層壓板中，可以在零排放飛機(jī)中用作新的存儲(chǔ)解決方案以及用于制作航天器所需的無(wú)內(nèi)襯儲(chǔ)罐。MI可以在不經(jīng)過(guò)多年試驗(yàn)的情況下解鎖新的使能材料。“沒(méi)錯(cuò)，這就是目標(biāo)。”Chandrasekaran 說(shuō)道，“Schr?dinger已經(jīng)有一款名為 Formulations Machine Learning 的產(chǎn)品，任何科學(xué)家都可以在臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦上進(jìn)行ML，并調(diào)整組分、成分和化學(xué)成分，以及獲得非常準(zhǔn)確的性能預(yù)測(cè)。你可以對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，然后只對(duì)表現(xiàn)最好的分子進(jìn)行試驗(yàn)。”

這與Schr?dinger的其他MI工具和平臺(tái)都是基于臺(tái)式機(jī)/筆記本電腦的軟件，根據(jù)它們的格式和用途具有不同的許可證。“所有數(shù)據(jù)都保留在該公司的系統(tǒng)內(nèi)，無(wú)任何東西進(jìn)入云端。”Chandrasekaran說(shuō)道，“該公司使用的所有數(shù)據(jù)以及所有IP和重要配方，都保留在臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦中，所有分析和ML都可以在用戶的機(jī)器上本地完成。”

Browning表示，這些工具的應(yīng)用范圍非常廣泛。“我們現(xiàn)在談?wù)摰氖蔷酆衔锖途酆衔飶?fù)合材料，但這種方法可以做的事情要廣泛得多。

Browning補(bǔ)充說(shuō)，與10年前相比，MI取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，包括圍繞它的相關(guān)技術(shù)。“比如，我們討論了使用基于物理的仿真來(lái)增強(qiáng)MI功能，這些已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。10年前可能看到這一點(diǎn)并說(shuō)這不適合他們的人，我想說(shuō)，現(xiàn)在情況已經(jīng)大不相同了。易用性和可能的結(jié)果都確實(shí)取得了進(jìn)步。”

“我們不只是讓客戶下載軟件并自行運(yùn)行，我們真的很想與他們合作，以確保這個(gè)工具對(duì)他們有價(jià)值。因此，我們幫助客戶格式化數(shù)據(jù)并為他們的案例構(gòu)建問(wèn)題，然后與他們合作，從這些工具中獲得最大價(jià)值。”Chandrasekaran 說(shuō)道。