實現(xiàn)通用逆向設計可以大大加速具有用戶定義屬性的新材料的發(fā)現(xiàn)。逆向設計是指設計具有用戶指定特性的新材料，而一般逆向設計則需要設計的材料具有各種化學和結構。然而，目前最先進的生成模型往往僅限于特定的成分或晶體結構。

在此，新加坡-美國麻省理工學院研究與技術聯(lián)盟（SMART）Tonio Buonassisi, Zekun Ren等人提出了一個稱為FTCP的框架，用于無機晶體的通用（成分和結構變化）逆向設計。該方法采用了一種由晶體的實空間和倒空間特征串聯(lián)而成的可逆晶體表示，其中實空間特征類似于CIF（晶體學信息文件），保證了可逆性，而倒易空間特征嵌入了周期性和復雜的元素特性。

通過聯(lián)合訓練具有前饋目標學習分支的VAE（Variational Autoencoder）模型，作者獲得了一個概率屬性結構的潛在空間，允許通過采樣、解碼和后處理對具有用戶指定屬性的晶體進行逆向設計。在三個設計案例中，該框架生成了142個具有用戶定義的形成能、帶隙、熱電（TE）功率因數(shù)及其組合的新晶體。

圖1. 可逆FTCP表示和基于其進行逆向設計的VAE架構

值得注意的是，功率因數(shù)是一種激發(fā)態(tài)屬性，從第一性原理計算具有挑戰(zhàn)性，但仍然可以通過半監(jiān)督學習使用該逆向設計方法來實現(xiàn)。作者證明了FTCP可以設計出新的晶體材料，這些材料不在訓練集中并且與已知的結構不同。作者基于DFT結構松弛驗證這些新晶體，并通過DFT和BoltzTraP計算確認其特性。

基于FTCP，作者將從數(shù)據(jù)集中隨機挑選找到具有用戶指定目標屬性的材料的概率從38.8% 提高至560%。作為實驗驗證的可能途徑，作者探索了添加一個簡單的綜合性指標即ICSD Score，以進一步解決綜合性挑戰(zhàn)并證明 FTCP 具有靈活性，可以同時考慮這個額外的指標以及用戶指定的目標屬性。總之，這項研究代表了使用生成模型的屬性驅動的通用逆向設計的重要一步。

圖2. 兩個FTCP設計的晶體與最先進晶體之間的功率因數(shù)比較

An invertible crystallographic representation for general inverse design of inorganic crystals with targeted properties, Matter 2021. DOI: 10.1016/j.matt.2021.11.032