“機器科學(xué)家”開(kāi)啟納米晶數字智造

“機器科學(xué)家”開(kāi)啟納米晶材料數字智造示意圖?？蒲袌F隊供圖

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料界面研究中心喻學(xué)鋒、趙海濤團隊，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)江俊，澳大利亞國立大學(xué)殷宗友等，首次將數據驅動(dòng)自動(dòng)合成、機器人輔助可控合成、機器學(xué)習促進(jìn)逆向設計用于膠體納米晶（例如鈣鈦礦）材料合成，探索構建了“機器科學(xué)家”平臺，有望將科研人員從傳統試錯實(shí)驗、勞動(dòng)密集型表征中解放出來(lái)，聚焦科學(xué)創(chuàng )新，實(shí)現納米晶材料數字智造。相關(guān)研究3月3日發(fā)表于《自然-合成》。

隨著(zhù)材料基因組、機器人、人工智能技術(shù)的發(fā)展，數據驅動(dòng)科學(xué)發(fā)現繼“實(shí)驗范式”“理論范式”和“仿真范式”之后成為“第四研究范式”。但依靠科學(xué)家經(jīng)驗的試錯和勞動(dòng)密集型實(shí)驗依舊運用在當今的新材料研發(fā)中。其中，納米晶物理化學(xué)性質(zhì)與其形貌、尺寸息息相關(guān)，傳統的試錯實(shí)驗和密集表征需花費大量時(shí)間和精力，制約了納米晶的研發(fā)。

為此，研究團隊整合數據驅動(dòng)自動(dòng)化合成、機器人輔助可控合成、面向形貌逆向設計等技術(shù)，構建了機器人輔助膠體納米晶數字智造平臺。他們以?xún)煞N典型的膠體納米晶為研究范例。一種是目前在生物傳感檢測領(lǐng)域被廣泛研究的金納米棒，一種是在新能源和光學(xué)探測領(lǐng)域有巨大應用潛力的鈣鈦礦納米晶。

為了實(shí)現自動(dòng)化合成，研究人員對文獻進(jìn)行了數據挖掘，以提供關(guān)鍵合成參數的初始選擇。研究人員對1300篇已報道的金納米棒合成的相關(guān)文獻進(jìn)行數據挖掘，并通過(guò)設計正交實(shí)驗及高通量實(shí)驗，獲取了機器人執行參數以及金納米棒形貌調控的重要參數。針對雙鈣鈦礦，研究人員通過(guò)對其他鈣鈦礦相關(guān)文獻進(jìn)行數據挖掘，篩選出了潛在的可供調節雙鈣鈦礦尺寸形貌的48種溶劑和61種表面活性劑，結合高通量原位合成和表征，快速實(shí)現了溶劑和表面活性劑的篩選。

通過(guò)機器人輔助正交實(shí)驗，單因素、雙因素以及三因素實(shí)驗，研究人員獲得了大樣本數據和小樣本數據，同時(shí)生成了大數據集和小數據集，不斷擴充實(shí)驗大數據庫。實(shí)驗大數據庫和機器學(xué)習模型對于支持逆向設計過(guò)程至關(guān)重要，研究人員基于高通量實(shí)驗數據的迭代，將電鏡小樣本異位驗證與機器人大樣本原位表征相結合，通過(guò)機器學(xué)習，最終成功建立了從關(guān)鍵合成參數到晶體形貌的機器學(xué)習規律模型。

培養具備納米晶合成和表征專(zhuān)業(yè)知識的高素質(zhì)科學(xué)家需要相當高的成本，這種“數據驅動(dòng)自動(dòng)合成-機器人輔助可控合成-機器學(xué)習促進(jìn)逆向設計”框架將進(jìn)一步助力納米晶合成和表征，解決一直以來(lái)科學(xué)家的經(jīng)驗和手法較難復制的問(wèn)題，探索利用“機器科學(xué)家”完成特定形貌納米晶的數字智造。

該研究不僅為新概念材料設計、制備和表征等關(guān)鍵共性科學(xué)問(wèn)題研究提供了“數據挖掘-機器合成-AI設計”通用性框架，而且為新能源和生命健康等領(lǐng)域關(guān)鍵核心材料及技術(shù)的突破提供了數據驅動(dòng)的全新方法論。

來(lái)源：中國科學(xué)報

本賬號稿件默認開(kāi)啟 *“快捷轉載”

轉載請注明出處

021yin.com