شبکه های عصبی بهینه سازی در جستجوی مواد جدید را تسهیل می کنند
هنگام جستجو از طریق لیست های نظری مواد جدید ممکن برای برنامه های خاص ، مانند باتری ها یا سایر دستگاه های مرتبط با انرژی ، اغلب میلیون ها ماده بالقوه وجود دارد که می توانند در نظر گرفته شوند و معیارهای مختلفی را که باید یکباره برآورده شوند و بهینه سازی شوند. اکنون ، محققان MIT راهی با استفاده از سیستم یادگیری ماشینی راهی برای ساده سازی روند کشف را پیدا کرده اند.
به عنوان تظاهرات ، این تیم به مجموعه ای از هشت ماده امیدوارکننده ، از تقریباً 3 میلیون نامزد ، برای سیستم ذخیره انرژی به نام باتری جریان وارد شدند . به گفته آنها ، این روند خاتمه بخشیدن به روشهای تحلیلی معمولی 50 سال طول خواهد کشید ، اما آنها طی 5 هفته این کار را انجام دادند.
این یافته ها در ژورنال ACS Central Science ، در مقاله ای از استاد مهندسی شیمی دانشگاه MIT ، هدر کولیک ، دکتر پل جانت ، دکترای جان ، گزارش شده است. "19 ، Sahasrajit Ramesh ، و دانشجوی تحصیلات تکمیلی Chenru Duan.
در این تحقیق مجموعه ای از مواد به نام مجتمع های فلزی گذار مورد بررسی قرار گرفت. اینها می توانند در تعداد بسیار زیادی از اشکال مختلف وجود داشته باشند ، و کولیک می گوید "آنها واقعاً مواد جذاب و کاربردی هستند که برخلاف بسیاری از مراحل دیگر مواد نیستند. تنها راه برای درک اینکه چرا آنها به روشی که انجام می دهند ، مطالعه آنها با استفاده از کوانتوم است. مکانیک
برای پیش بینی خواص هر یک از میلیون ها نفر از این مواد ، نیاز به طیف سنجی وقت گیر و منابع فشرده و سایر آزمایشگاه ها ، یا مدل سازی رایانه ای مبتنی بر فیزیک بسیار وقت گیر ، بسیار پیچیده برای هر ماده کاندیدای احتمالی یا ترکیبی از مواد است. هر مطالعه ای می تواند ساعت ها تا روزها کار کند.
در عوض ، کولیک و تیم وی تعداد کمی از مواد ممکن مختلف را در اختیار گرفتند و از آنها برای آموزش یک شبکه عصبی پیشرفته یادگیری ماشین درباره رابطه بین ترکیبات شیمیایی مواد و خصوصیات بدنی آنها استفاده کردند. سپس از این دانش برای تولید پیشنهادات برای نسل بعدی مواد ممکن برای دور بعدی آموزش شبکه عصبی استفاده شد. از طریق چهار تکرار پی در پی این فرایند ، شبکه عصبی هر بار به طور قابل توجهی بهبود می یابد ، تا رسیدن به نقطهای که مشخص بود که تکرارهای بعدی هیچ پیشرفت دیگری را به همراه نخواهد داشت.
این سیستم بهینه سازی تکراری ، روند دستیابی به راه حل های بالقوه را که دو معیار متضاد مورد نظر را برآورده می کند ، تا حد زیادی اصلاح می کند. این نوع فرآیند یافتن بهترین راه حل ها در شرایط ، که در آن بهبود یکی از عوامل باعث بدتر شدن عامل دیگر می شود ، به عنوان یک جبهه پارتو شناخته می شود و نمودارهایی از نقاط را نشان می دهد به گونه ای که هرگونه بهبود بیشتر یک عامل ، دیگری را بدتر می کند. به عبارت دیگر ، بسته به اهمیت نسبی اختصاص یافته به هر عامل ، نمودار بهترین نقاط ممکن سازش را نشان می دهد.
آموزش شبکه های عصبی معمولی ، مجموعه داده های بسیار بزرگی را طلب می کند ، از هزاران تا میلیون ها نمونه ، اما کولیک و تیم وی توانستند بر اساس مدل جلوی پارتو ، از این فرآیند تکراری استفاده کنند تا روند را ساده تر کرده و با استفاده از تنها چند مورد نتایج قابل اعتماد را ارائه دهند. صد نمونه
در مورد غربالگری برای باتری های جریان ، ویژگی های مورد نظر با هم اختلاف داشتند ، مانند اغلب: مواد بهینه حلالیت و چگالی انرژی بالایی دارند (توانایی ذخیره انرژی برای وزن معین). اما افزایش حلالیت تمایل به کاهش چگالی انرژی دارد و بالعکس.
شبکه عصبی نه تنها توانست به سرعت کاندیداهای امیدوار کننده را پیدا کند ، بلکه از طریق هر تکرار نیز می توانست سطح اطمینان را به پیش بینی های مختلف خود اختصاص دهد ، این امر به شما امکان می دهد تا در هر مرحله به بهینه سازی انتخاب نمونه کمک کنید. کولیک می گوید: "ما یک روش بهتر از بهترین کلاس در مورد عدم اطمینان در کلاس را برای دانستن اینکه چه موقع این مدل ها از بین می روند ، توسعه دادیم."
چالشی که آنها برای آزمایش اثبات مفهوم انتخاب کردند مواد برای استفاده در باتری های جریان ردوکس ، نوعی باتری است که وعده هایی را برای باتری های بزرگ و در مقیاس شبکه که می تواند نقش مهمی در فعال کردن انرژی پاک و تجدید پذیر داشته باشد ، دارد. کولیک می گوید ، مجتمع های فلزی در حال گذار دسته برتر مواد برای چنین باتری ها هستند ، اما امکانات زیادی برای ارزیابی با روش های معمولی وجود دارد. آنها قبل از نهایی کردن لیست 8 میلیون کاندیدای خوب ، به همراه مجموعه ای از قوانین طراحی که باید آزمایشگران را قادر به کشف پتانسیل این کاندیداها و تغییرات آنها کند ، با لیستی از 3 میلیون چنین مجتمع آغاز کردند.