人工智能如何推动材料科学发展

机器学习和人工智能正越来越多地用于材料科学研究。例如，麻省理工学院材料科学与工程学副教授Juejun“ JJ” Hu开发了一种算法，该算法可以增强基于芯片的光谱仪的性能，而大西洋Richfield能源研究副教授Elsa A. Olivetti则建立了一个人工智能系统通过科学论文来推论材料科学的“配方”。

麻省理工学院的这些教授和其他教授，以及丰田研究院加速材料设计和发现总监Brian Story的主题演讲，将于10月10日星期三在MIT材料研究实验室的年度材料日研讨会上讨论使用机器学习进行研究的见解和突破。 9在克雷奇礼堂。

胡副教授最近解释了导致他的光谱仪取得突破的原因，以及为什么他对机器学习和人工智能正在成为材料研究中的日常工具感到乐观。

问：您的光谱仪工作特别利用了机器学习技术。新方法如何改变材料科学中的发现过程?

答：基本上，我们开发了一种新的光谱仪技术，该技术可使我们将大型组件缩小到一个小的硅芯片上，并且仍然保持高性能。我们开发了一种算法，使我们能够以更好的信噪比提取信息。我们已经针对许多不同种类的光谱验证了该算法。该算法通过比较两个重复的测量值以减轻测量噪声的影响，从而识别出单独的光色。与教科书限制(称为Rayleigh限制)相比，该算法将分辨率提高了100%。

问：您如何使用机器学习来识别新的光学材料和设计，以用于由光学天线阵列组成的中红外透镜?

答：我们正在与马萨诸塞大学UMass的一个小组合作，开发一种用于设计“元表面”的深度学习算法，“元表面”是一种光学设备，无需使用传统的几何曲率来构造透镜，您使用一组专门设计的光学天线来对入射光施加相位延迟，因此我们可以实现所有功能。超颖表面的一个大问题是，按照惯例，当人们设计这些超颖表面时，他们基本上会通过反复试验来做到这一点。

我们已经建立了深度学习算法。该算法允许我们使用现有数据对其进行训练。因此，当我们对其进行训练时，最终该算法将变得“智能”。该算法可以评估不规则形状的可加工性，这些不规则形状超出了常规形状(如圆形和矩形)的范围。它可以识别复杂几何形状和电磁响应之间的隐藏连接，通常这并不容易，而且比传统的满量程模拟可以更快地找到这些隐藏关系。该算法还可以筛选出无法使用的材料和功能的潜在组合。如果使用常规方法，则必须浪费大量时间来耗尽所有可能的设计空间，然后得出结论，但是现在我们的算法可以非常迅速地告诉您。

问：在材料科学中促进使用机器学习还有哪些其他进展?

答：我们看到的另一件事是，现在我们还可以更轻松地访问非常强大的，基于云的商业计算设施。因此，硬件，易于访问，非常强大的计算资源和新算法的结合使我们能够进行新的创新。再次，例如，在超表面上，如果您查看旧的设计，人们几乎都使用规则的几何图形，例如圆形，正方形，矩形，但是我们以及社区中的许多其他人现在都在转向拓扑优化的光学设备。为了设计这些结构，将新算法与强大的计算资源相结合是设计大型设备(如在三维空间中进行宏观，拓扑优化的光学器件)的关键。