華中科技大學電氣學院先進電工材料中心Advanced Intelligent System封面論文：人工智能助力新材料設計與開發

【背景介紹】

近年來，大量的訓練數據、高性能的計算能力和先進的深度學習算法促進了人工智能AI的廣泛應用，在材料研究當中也是如此。傳統耗時耗能的試錯法很難滿足當代材料研發的需求，而材料數據庫積累的大量實驗和計算數據卻很少得到開發。開發自主性機器人，建立分布式網絡空間數據架構，構建儲能材料高通量精準設計，將會實現儲能領域上下游產業鏈的數據共享和價值優化。因此，人工智能，尤其是機器學習，將會在材料研發效率、準確性和廣域性等方面發揮重要作用。

【成果簡介】

為了更好地了解AI在先進材料開發中的最新進展并解決面臨的挑戰，近日華中科技大學電氣科學與工程學院程時杰院士、曹元成教授（通訊作者）、計算機學院路松峰教授、材料學院郭新教授合作，就目前AI輔助材料基因組的最新進展進行了分析和概括，重點總結了人工智能在材料創新中的應用，包括材料設計、性能預測、和合成(圖1)。最后，從硬件和軟件兩個方面闡述了未來人工智能在新型材料設計、合成及工程化領域的發展方向。

文章以封面形式發表在《Advanced Intelligent Systems》-Wiley.?第一作者沙武鑫，華中科技大學計算機學院/電氣學院交叉創新博士研究生。

【圖文簡介】

圖1.? AI輔助的材料科學與工程概念圖

AI與傳統理論計算最大的不同，就是AI神經網絡可以通過對材料數據庫的主動、深度學習獲得經驗知識，從而根據結構組分預測新材料的性質，規劃化學合成路徑，提高圖譜表征的質量及效率，對滿足要求的材料進行全譜搜索，基于多層次神經網絡建立全新的材料基因組構效關系，從而大大提高材料研發的效率和自動化程度。

圖2. 在預測電解質電導率中，傳統DFT計算與機器學習方法的對比

AI可以提高模擬計算的效率和精度。傳統密度泛函計算（DFT）使用原子組成和晶體結構求解電子結構，從而計算電導率等物理性質，該過程不需要樣本的實驗值，而機器學習中的監督學習需要這些實驗值作為標記數據，和對應的組分結構共同組成訓練集，使模型學習到性質和組分結構之間的對應關系。當有新材料出現時，模型可以對其電導率進行預測。

圖3.蒙特卡洛樹搜索與神經網絡結合規劃化學合成的原理示意圖

AI可以輔助規劃化學合成路線。例如在有機逆向合成中，蒙特卡洛樹搜索通過選擇、擴展、推廣、更新四個階段的迭代，搜索出可行的合成路線（圖3a）。其中的擴展階段，通過策略網絡和符號系統的共同篩選，探索出相應的前體B和C（圖3b）。

圖4. 利用卷積神經網絡進行材料缺陷自動檢測的流程圖

AI可以提升圖譜表征的質量和效率。例如在微觀缺陷檢測中，可以將掃描電鏡的圖像輸入到AI模型中，依次通過模塊I級聯目標檢測器、模塊II卷積神經網絡篩選和模塊III局部圖像分析。在模塊I識別出缺陷位置和邊界框后，使用模塊II消除誤報，最后使用模塊III確定缺陷的形狀和尺寸。

【總結與展望】

總的來說，未來材料信息學的發展需要高通量實驗、高通量表征和高通量模擬計算來產生更多客觀，全面和真實的數據，這需要基礎設施的不斷完善，包括集成化物聯網環境下的高性能計算集群和更先進的表征合成設備等。另外，機器學習算法也需要提高其解釋性，并降低對數據量的需求。隨著相關領域數據庫的不斷完善及算法的不斷優化，AI將在儲能材料、新型高性能固態電解質以及退役電池回收利用等領域發揮越來越多的作用。

【致謝】

該項目得到華中科技大學“學科交叉博士生培養創新團隊”建設項目支持，同時得到武漢科技局院士成果轉化項目資金支持。

論文鏈接：??

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.201900143

【作者簡介】

程時杰

中國科學院院士、IEEE Fellow。1967年畢業于西安交通大學，1981年獲得華中工學院碩士學位，1986年獲得加拿大Calgary大學博士學位，1988年回華中理工大學工作，2007年當選為中國科學院院士。長期致力于電力系統及其自動化領域的研究，在電力系統穩定性分析、智能控制、次同步振蕩、電能存儲等方面取得了眾多研究成果。近年來，他積極倡導并努力實踐了先進電工材料和器件這一新的研究方向。

沙武鑫

博士研究生，華中科技大學材料學院本科畢業后，2017年保送碩士研究生，2019年入選“學科交叉創新博士培養計劃”進入華中科技大學計算機科學與技術學院攻讀人工智能與材料基因組方向博士。

路松峰

博士，教授，博士生導師。長期從事人工智能，信息安全和量子計算等方面的研究。負責多項大型工程項目工作，具有豐富的工程實踐經驗。在國內外重要刊物和國際會議發表論文182 篇，其中被SCI 收錄80多篇，EI 收錄60多 篇。申請/獲得32?項國家發明專利，獲得國家密碼管理委員會科技進步二等獎1 項、湖北省科技進步二等獎1項、武漢市科技進步二等獎1 項。

郭新

華中科技大學材料學院教授，博士生導師，國家特聘專家，中國固態離子學會理事，國際期刊?“Solid State Ionics”編委，國際固態離子學會學術獎評審委員。回國前任德國于利希研究中心終身高級研究員，之前，他曾在德國馬普固體研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）從事研究工作多年。2005年獲美國陶瓷協會Ross Coffin Purdy Award，包括“Science”的學術期刊發表論文100余篇。

曹元成

華中科技大學電氣與電子工程學院研究員、博士生導師，獲批湖北省 “百人計劃”， “黃鶴英才”。已經發表包括Materials Today、Nano Energy、Materials Today Energy、 Joule 等在內SCI期刊科研論文110余篇；已申請專利35件；參編專業書籍（英文版）1部。研究領域包括高比能高安全電化學儲能電池關鍵材料與技術、退役電池綠色資源化與再生利用。E-mail：yccao@hust.edu.cn

?